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Déterminer la structure du plasma quarks-gluons, le premier fluide de l'Univers

Par Jennifer Chu, Massachusetts Institute of Technology (MIT)

Édité par Gaby Clark, révisé par Robert Egan

Notes de la rédaction

L'essentiel

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Lorsque deux faisceaux d'ions or entrent en collision au sein du Relativistic Heavy Ion Collider (accélérateur d'ions lourds relativistes), ils génèrent un plasma quarks-gluons. Peu après la collision, les particules se dispersent vers plusieurs détecteurs. Voici une vue d'extrémité fournie par STAR, l'un des quatre détecteurs. Crédit : Brookhaven National Laboratory

Durant la première fraction de seconde ayant suivi le Big Bang, la matière existait sous la forme d'un plasma de quarks et de gluons — des particules subatomiques s'agitant à une vitesse proche de celle de la lumière — porté à une température d'un billion de degrés. Ce bouillonnement n'a duré que quelques microsecondes, avant que les particules ne se regroupent pour former des protons et des neutrons, plus stables.

Pour étudier ce fluide primordial, les scientifiques recréent un plasma quarks-gluons dans de grands accélérateurs de particules, où des ions sont projetés les uns contre les autres à une vitesse proche de celle de la lumière. Ces collisions engendrent des gouttelettes de plasma, d'une taille comparable à celle d'un noyau atomique, qui ne subsistent que pendant quelques dizaines de septillionièmes de seconde.

L'une des méthodes employées par les chercheurs pour étudier ce plasma consiste à suivre d'autres particules, telles que les quarks lourds, qui ne font pas partie du plasma mais qui le traversent. La manière dont une particule lourde se déplace au sein d'un fluide devrait, en principe, révéler des informations sur la structure microscopique de ce fluide. Cette relation générale a été établie par le physicien Albert Einstein en 1905.

Cependant, dans des conditions aussi extrêmes — où les particules se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière —, la théorie d'Einstein atteint ses limites : il se produit, au sein du plasma, des interactions que cette théorie ne parvient pas à décrire pleinement.

Aujourd'hui, des physiciens du MIT et de l'Université de Californie à Santa Barbara (UCSB) ont poursuivi les travaux là où la théorie d'Einstein s'arrêtait. Ils ont élaboré une théorie qui prédit comment une particule relativiste, se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière, est soumise à des poussées et des tractions lorsqu'elle traverse un fluide.

Les chercheurs envisagent d'appliquer cette nouvelle théorie pour prédire le déplacement d'un quark lourd au sein d'un plasma quarks-gluons. De telles prédictions pourraient ensuite être confrontées aux résultats d'expériences, permettant ainsi de caractériser la structure microscopique du plasma quarks-gluons et de déterminer la nature du fluide qui a dû exister aux premiers instants de l'univers.

« Nos résultats révèlent une nouvelle source d'information, véhiculée par les quarks lourds sous la forme de changements rares et exceptionnellement importants dans leur trajectoire », explique Jean Du Plessis, doctorant au Centre de physique théorique du MIT (un institut Leinweber). « La fréquence de ces changements importants dépend de la nature microscopique du plasma ; cela ouvre la porte à une nouvelle méthode pour mieux comprendre la structure interne du plasma quarks-gluons. »

Jean Du Plessis et Bruno Scheihing-Hitschfeld, du Kavli Institute for Theoretical Physics de l'UCSB, présentent leurs travaux dans la revue *Physical Review Letters*.

Une piste issue du pollen

En 1905, Einstein a développé une théorie décrivant le mouvement d'une particule dans un fluide, montrant comment ce déplacement peut révéler la structure microscopique du fluide lui-même. Sa théorie s'inspire des observations du botaniste Robert Brown. En 1827, Brown avait remarqué un phénomène surprenant : des grains de pollen, en suspension dans une eau apparemment immobile, semblaient s'agiter et tourbillonner de manière aléatoire. Ce curieux mouvement erratique des particules au sein d'un fluide a été baptisé, par la suite, « mouvement brownien ».

La théorie d'Einstein de 1905 a démontré que le mouvement brownien résulte de forces microscopiques invisibles agissant au sein du fluide. Le déplacement d'une particule est le fruit d'un équilibre entre la traînée — la force exercée par le fluide qui tend à ralentir la particule — et des impulsions aléatoires qui maintiennent son mouvement. Selon Einstein, ces impulsions aléatoires proviennent de forces microscopiques internes au fluide, exercées par les atomes et les molécules qui le constituent. L'énergie de ces particules microscopiques peut se cumuler pour bousculer et déplacer des particules plus grandes. Depuis la première publication de sa théorie, les scientifiques ont appliqué l'explication d'Einstein sur le mouvement brownien pour caractériser une multitude de fluides, dont le plasma quarks-gluons. Comme pour la plupart des autres fluides, on a supposé qu'une particule se déplaçant au sein d'un plasma quarks-gluons devait être soumise à un équilibre d'impulsions microscopiques comparable à celui que subit un grain de pollen dans l'eau.

Cet équilibre est représenté par une distribution de probabilité en forme de cloche : la particule est plus susceptible de subir des impulsions d'intensité moyenne (le sommet de la cloche), tandis que la probabilité qu'elle subisse des impulsions extrêmes (les extrémités de la courbe) est très faible, à mesure qu'elle traverse le fluide pour finir par y atteindre un état d'équilibre.

« Einstein a démontré que la force de traînée et les impulsions aléatoires doivent s'équilibrer de manière très précise pour qu'une particule finisse par atteindre la même température que le milieu qui l'entoure », explique Du Plessis. « Pour les types de fluides qu'il étudiait, son raisonnement était exact. Mais pour des particules qui... »

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 RESUME

Déterminer la structure du plasma quarks-gluons, le premier fluide de l’univers

Les calculs prédisent que, dans ce plasma, les quarks lourds relativistes subissent des variations de quantité de mouvement importantes plus fréquemment que ne le prévoient les modèles browniens gaussiens ; les impulsions entraînant un ralentissement marqué sont plus probables que celles provoquant une accélération. Cette asymétrie, observée dans divers modèles de plasma, établit un lien entre les fluctuations de la quantité de mouvement et la structure microscopique du plasma

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COMME?TAIRES

Tout d abord  un rappel :l'existence des quarks est prouvée à la fois théoriquement et expérimentalement. Bien qu'il soit impossible d'observer un quark isolé, leur réalité physique est confirmée par de nombreuses expériences depuis la fin des années 1960.

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Allons plus loin :

1. La prédiction théorique (1964)

• Le modèle des quarks : En 1964, les physiciens Murray Gell-Mann et George Zweig ont proposé indépendamment l'existence des quarks pour classer la multitude de nouvelles particules découvertes à l'époque.

• Une explication mathématique : Au départ, ces particules étaient considérées comme une simple astuce mathématique permettant de comprendre la structure des protons et des neutrons.

2. Les preuves expérimentales

• La diffusion profondément inélastique (1968) : Des expériences menées au SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) ont consisté à bombarder des protons avec des électrons à très haute énergie. Les électrons ont rebondi sur des points durs et ponctuels à l'intérieur des protons, prouvant qu'ils n'étaient pas homogènes mais composés de sous-particules.

• La découverte du quark Top (1995) : Au fil des décennies, les accélérateurs de particules ont permis d'identifier les six types (saveurs) de quarks prédits par la théorie. Le dernier et le plus massif, le quark Top, a été observé expérimentalement au Fermilab en 1995.

• Les jets de particules : Lors de collisions à haute énergie, les quarks éjectés créent des gerbes de particules observables appelées « jets », qui confirment directement leur présence et leurs propriétés.

Pourquoi ne voit-on jamais un quark isolé?

• Le confinement des quarks : La force nucléaire forte agit comme un élastique entre les quarks. Plus on essaie de les séparer, plus la force augmente, jusqu'à ce que l'énergie accumulée crée une nouvelle paire de quarks plutôt que d'en libérer un seul.

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 L 'article se place dans le cadre  de modèles  théoriquesoù le systeme quark s-gluons  est représenté  par  un gaz plasmatique confiné