Température record : des billions de degrés mesurés peu après le Big Bang.

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Équipe éditoriale du site Web sur l'innovation technologique - 30 octobre 2025

Vue partielle du détecteur géant STAR, conçu pour étudier les premiers instants de l'Univers. [Image : BNL]

température record

Si vous aimez les disques, celui-ci vous plaira : il est impossible d'imaginer une température plus élevée que celle de la soupe primordiale, appelée plasma de quarks et de gluons , apparue peu après le Big Bang.

Des scientifiques viennent de capturer le profil de température de cet état de la matière ultra-chaud, généré par un détecteur appelé STAR, situé auprès du collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) aux États-Unis. STAR est également le nom de la collaboration internationale qui a construit et exploite cet instrument, réunissant des centaines de scientifiques issus de 55 institutions réparties dans 12 pays.

En analysant les émissions rares d'électrons et de positrons issues de collisions atomiques, l'équipe a déterminé les températures précises à différentes étapes de l'évolution du plasma primordial. Ces résultats confirment non seulement les prédictions théoriques, mais affinent également le diagramme de phase de la chromodynamique quantique (QCD), qui décrit le comportement de la matière dans des conditions extrêmes.

« Nos mesures révèlent la signature thermique du plasma de quarks et de gluons », a déclaré Frank Geurts, membre de la collaboration STAR. « Le suivi des émissions de dileptons nous a permis de déterminer la température du plasma et le moment où il a commencé à se refroidir, offrant ainsi un aperçu direct des conditions qui régnaient quelques microsecondes seulement après la formation de l'Univers. »

Le diagramme illustre les propriétés de la matière en fonction du potentiel chimique baryonique (équivalent à la densité numérique baryonique nette) et de la température, avec comme points de référence les noyaux normaux, les étoiles à neutrons et la transition de phase vers le plasma de quarks et de gluons. [Image : Collaboration STAR - 10.1038/s41467-025-63216-5]

Des billions de degrés

Les résultats ont montré deux plages de température distinctes, en fonction de la masse des paires d'électrons émises.

Pour les faibles masses, la température moyenne a atteint environ 2,01 billions de kelvins, ce qui concorde avec les prédictions théoriques et les températures observées lors de la transition du plasma vers la matière ordinaire. Pour les masses plus élevées, la température moyenne était d'environ 3,25 billions de kelvins, correspondant à la phase initiale, plus chaude, du plasma.

Ce contraste suggère que les électrons de faible masse ont été produits plus tard dans l'évolution du plasma, tandis que les électrons de masse élevée sont nés lors de sa phase antérieure, plus énergétique.

En mesurant précisément la température du plasma de quarks et de gluons à différents stades de son évolution, les scientifiques ont obtenu des données expérimentales cruciales pour compléter le diagramme de phase de la QCD. Ce diagramme est essentiel pour comprendre le comportement de la matière fondamentale sous l'effet d'une chaleur et d'une densité immenses, similaires aux conditions qui existaient juste après le Big Bang, mais qui sont également présentes aujourd'hui dans des phénomènes astrophysiques tels que les étoiles à neutrons.

« Grâce à cette carte thermique, les chercheurs peuvent désormais affiner leur compréhension de la durée de vie du plasma de quarks et de gluons et de ses propriétés de transport, ce qui améliore notre connaissance de l'Univers primordial », a déclaré Geurts. « Cette avancée représente bien plus qu'une simple mesure ; elle marque le début d'une nouvelle ère dans l'exploration des confins les plus extrêmes de la matière. »

Représentation schématique d'une collision Au+Au reconstruite à l'aide du détecteur STAR. [Image : Collaboration STAR - 10.1038/s41467-025-63216-5]

Quel type de thermomètre a été utilisé ?

Mesurer les températures dans des environnements où aucun instrument ne peut physiquement survivre a nécessité beaucoup de créativité et de travail acharné.

L'équipe a surmonté cette difficulté en étudiant les paires thermiques d'électrons et de positrons émises lors des collisions à grande vitesse de noyaux atomiques dans le collisionneur. Ces émissions leur ont permis de reconstituer la température du plasma pendant sa formation et son refroidissement.

« Les paires de leptons thermiques, ou émissions électron-positron produites au cours de la durée de vie d'un plasma de quarks et de gluons, apparaissent comme des candidats idéaux », a déclaré Geurts. « Contrairement aux quarks, qui peuvent interagir avec le plasma, ces leptons le traversent pratiquement intacts, emportant avec eux des informations non déformées sur leur environnement. »

Cela a nécessité des améliorations technologiques sans précédent du détecteur STAR afin de lui permettre d'isoler les paires de leptons de basse énergie et de réduire le bruit de fond. L'idée centrale est que la distribution énergétique de ces paires révèle directement la température du plasma, une approche connue sous le nom de « thermomètre pénétrant » : les émissions sont intégrées pour produire un profil thermique moyen.

Les estimations précédentes de la température post-Big Bang étaient entachées d'une grande incertitude, en plus d'être faussées par les mouvements au sein du plasma, qui créaient des écarts similaires à l'effet Doppler, ou par la confusion quant à savoir si les mesures reflétaient le plasma lui-même ou les stades ultérieurs de sa désintégration.

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