ALICE au CERN élucide la formation des noyaux légers dans les collisions de particules extrêmes

La collaboration scientifique de l'expérience A Large Ion Collider Experiment (ALICE) au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN a récemment apporté une clarification sur la genèse des noyaux atomiques légers, tels que les deutérons et les antidéutérons, formés lors de collisions de particules de haute intensité. Cette avancée, publiée dans la revue Nature le 10 décembre 2025, répond à la question fondamentale de la physique nucléaire concernant la survie de ces structures fragiles à des températures excédant cent mille fois celles du cœur solaire. Les travaux, dirigés par des chercheurs de la Technical University of Munich (TUM), ont analysé les données issues des collisions de protons à haute énergie enregistrées durant la deuxième période d'exploitation du LHC pour déterminer le mécanisme de formation prédominant.

Le détecteur ALICE, conçu pour sonder l'interaction forte en traçant les particules issues de ces événements violents, a permis de confirmer qu'environ 90 pour cent des (anti)deutérons observés proviennent d'un processus spécifique. La conclusion centrale de l'étude réfute l'hypothèse antérieure selon laquelle les protons et neutrons nécessaires à la constitution de ces noyaux existeraient dès l'instant initial de la collision. L'investigation démontre que ces particules constitutives émergent plutôt de la désintégration séquentielle d'états de particules de haute énergie et de courte durée de vie, identifiés comme des résonances, notamment la résonance $\Delta(1232)$. Ce processus s'opère pendant que le système issu de la collision se dilate et se refroidit, offrant un environnement plus tempéré pour l'agrégation par fusion nucléaire des protons ou neutrons nouvellement générés en phase finale.

Le Professeur Laura Fabbietti de la TUM a indiqué que les preuves expérimentales confirment que la coalescence des noyaux légers se produit lorsque les conditions sont « quelque peu plus fraîches et plus calmes », s'éloignant ainsi de la phase initiale d'interaction extrêmement chaude. Cette recherche représente un progrès crucial pour la compréhension de l'« interaction forte », la force fondamentale responsable de l'assemblage des noyaux atomiques. L'expérience ALICE fonctionne comme un instrument de reconstitution capable de tracer jusqu'à 2000 particules par collision pour décrypter l'évolution du plasma de quarks et de gluons vers la matière stable, recréant ainsi des conditions analogues aux premiers instants de l'Univers.

Le contexte de cette recherche fondamentale est lié au troisième cycle de financement du Centre de Recherche Collaboratif (CRC) « Neutrinos et Matière Noire en Physique Astro- et des Particules » (SFB 1258), axé sur l'interaction faible, qui a débuté en janvier 2025. Le CRC SFB 1258, basé à la TUM et fondé en 2017, explore la nature des neutrinos et de la matière noire. Le Dr Maximilian Mahlein a souligné la pertinence de ces découvertes pour l'astrophysique, notamment dans l'amélioration de l'interprétation des données issues des rayons cosmiques. Des modèles théoriques affinés, basés sur cette nouvelle compréhension de la production des noyaux légers, pourraient offrir des perspectives pour l'investigation de la matière noire, un thème central pour le Cluster d'Excellence ORIGINS, dont la seconde phase de financement a été approuvée en mai 2025, regroupant des chercheurs de la TUM et de la Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU).

La reconnaissance des efforts collaboratifs au CERN s'est manifestée en avril 2025, lorsque le Professeur Laura Fabbietti et le Professeur Lukas Heinrich ont été conjointement honorés par le Prix Avancée en Physique Fondamentale 2025, le 5 avril. Ce prix de 3 millions de dollars américains a été distribué entre 13 508 chercheurs de plus de 70 nations impliqués dans les collaborations du LHC (ALICE, ATLAS, CMS et LHCb) pour leurs tests de haute précision du Modèle Standard. La Prof. Fabbietti, coordinatrice au sein du Cluster ORIGINS, a qualifié sa participation au CERN de « tournant décisif » en raison de la qualité des données, tandis que le groupe du Prof. Heinrich à la TUM est associé au projet ATLAS. Les fonds de ce prix sont destinés à financer des séjours de recherche au CERN pour des doctorants issus des instituts membres. De plus, la capacité d'ALICE à comparer précisément les caractéristiques des noyaux et des antinoyaux légers, à l'instar des comparaisons antérieures entre protons et antiprotons par l'expérience BASE, illustre la richesse des recherches menées au CERN, y compris l'étude des collisions d'ions légers comme celles impliquant l'oxygène et le néon en juillet 2025.