Les chercheurs recréent une «soupe» de quarks et de gluons denses et chauds qui a rempli l'univers primitif

Quelques millièmes de seconde, peu de temps après le Big Bang, les cosmologues pensent que l’Univers était rempli d’une «soupe» chaude et dense de quarks et de gluons. Les chercheurs pensent maintenant qu'ils ont peut-être utilisé la collision de minuscules projectiles et de noyaux en or pour recréer de minuscules points de ce fluide primordial parfait.

Si les collisions entre de petits projectiles - protons (p), deutons (d) et noyaux d'hélium-3 (3He) - et d'or (Au) créent de minuscules points chauds de plasma quark-gluon, le motif de particules capté par le détecteur devrait conserver une certaine «mémoire» de la forme initiale de chaque projectile. Les mesures de l'expérience PHENIX correspondent à ces prévisions avec de très fortes corrélations entre la géométrie initiale et les modèles d'écoulement finaux. (Javier Orjuela Koop, Université du Colorado, Boulder)

L'étude de ce fluide devrait permettre de mieux comprendre la force qui régit la liaison des quarks et des gluons, les particules fondamentales qui composent les protons et les neutrons et donc toute la matière visible qui nous entoure. Mais ce à quoi les chercheurs ne s'attendaient pas, c'est de pouvoir recréer ce fluide de particules fondamentales.

Des physiciens nucléaires ont découvert ce produit étrange en analysant les données du détecteur PHENIX de Brookhaven Lab au collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC), qui publiait ses résultats cette semaine dans la revue Nature Physics.

Jamie Nagle, un collaborateur de PHENIX, a participé à la conception du plan expérimental ainsi que des simulations théoriques que l'équipe aurait utilisées pour tester leurs résultats: «Ce travail est l'aboutissement d'une série d'expériences conçues pour concevoir la forme des gouttelettes de plasma de quark-gluon. . "

La découverte a été faite lorsque l'équipe a examiné les trajectoires de particules créées par l'impact de petits projectiles tels que des protons uniques, des atomes de deutérium et des noyaux d'hélium-3 sur des «cibles» à noyau d'or. Les profils d'écoulement de ces particules se sont avérés correspondre à la géométrie des projectiles d'origine, exactement comme on pouvait s'y attendre si elles créaient un fluide parfait de plasma quark-gluon.

Nagle a déclaré: "Le RHIC est le seul accélérateur au monde où nous pouvons effectuer une expérience aussi étroitement contrôlée, mettant en collision des particules constituées d'un, deux et trois composants avec le même noyau plus grand, l'or, le tout à la même énergie."

Observations précédentes de liquides parfaits

Le détecteur PHENIX du collisionneur d'ions lourds relativistes (Brookhaven National Lab)

L’utilisation du RHIC, le plus grand accélérateur de particules au monde avant l’activation du LHC, permettait auparavant aux physiciens d’observer le flux de liquides parfaits auparavant et leur existence est bien établie. Lorsque les noyaux de particules d'or entrent en collision à des vitesses proches de la lumière, par exemple, l'extrême énergie de centaines de protons et de neutrons en collision fait fondre les frontières des particules en interaction, permettant ainsi aux gluons et aux quarks constitutifs d'interagir librement.

Visualisation par ordinateur du plasma quark-gluon de 7 200 000 000 000 000⁰ créé dans le collisionneur RHIC en 2010 (Brookhaven National Lab)

Ce fluide résultant s'écoule comme un liquide de viscosité extrêmement basse, permettant ainsi aux gradients de pression créés tôt dans la collision de perdurer et d'influencer la manière dont les autres particules frappent le détecteur.

Cela signifie que les particules qui heurtent le détecteur conservent une "mémoire" de la forme initiale de chaque projectile: sphérique dans le cas des protons, elliptique pour les deutons et triangulaire pour les noyaux à l’hélium-3.

PHENIX a analysé les mesures de deux types différents de flux de particules (elliptique et triangulaire) provenant des trois systèmes de collision et les a comparées aux prévisions pour ce à quoi on pouvait s’attendre en fonction de la géométrie initiale.

Julia Velkovska, porte-parole adjointe de PHENIX, qui a dirigé une équipe impliquée dans l'analyse à l'Université Vanderbilt, a déclaré: «Les mesures correspondent aux prévisions basées sur la forme géométrique initiale. Nous constatons de très fortes corrélations entre la géométrie initiale et les modèles d'écoulement final, et la meilleure façon de l'expliquer est que le plasma quark-gluon a été créé dans ces systèmes de petites collisions. ”

Les équipes ont comparé les modèles d'écoulement géométriques obtenus dans cette dernière expérience avec la théorie de l'hydrodynamique, ce qui leur a permis d'éliminer les corrélations suggérées par d'autres théories de la physique, telles que la mécanique quantique pour les collisions or / or précédemment menées.

"Avec tout le reste égal, nous voyons toujours un flux elliptique plus important pour le deutéron-or que pour le proton-or, ce qui correspond plus étroitement à la théorie du flux hydrodynamique et montre que les mesures dépendent de la géométrie initiale", a déclaré Velkovska. "Mais sur la base de ce que nous observons et de notre analyse statistique de l'accord entre la théorie et les données, ces interactions ne constituent pas la source dominante des modèles de flux finaux."

PHNIX va maintenant examiner les données de ces expériences afin de déterminer la température atteinte lors des collisions à petite échelle. Si elle est suffisamment chaude, elle contribuera également à la création d'un plasma de quark-gluon.

Recherche originale: https://www.nature.com/articles/s41567-018-0360-0