Le tourbillon quasi parfait du plasma quark-gluon

Les chercheurs rapportent que le plasma quark-gluon possède une vitesse de rotation quasi parfaite. Le plasma quark-gluon est la soupe primitive de l’univers primitif.


Le tourbillon du plasma quark-gluon est quasi-parfait - Crédit : Brookhaven National Laboratory
Le tourbillon du plasma quark-gluon est quasi-parfait - Crédit : Brookhaven National Laboratory

Les collisions de particules, pour recréer le (QGP) qui a rempli l’univers primitif, révèlent que les gouttes de cette tourbillonnent plus vite que n’importe quel autre fluide. La nouvelle analyse des données du Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) montre que la vorticité du QGP surpasse la dynamique des fluides des orages supercellulaires (les plus puissantes des tornades) et la Grande Tâche Rouge de Jupiter par plusieurs ordres de grandeur. En fait, ce plasma quark-gluon bat le record de rotation pour des nanogouttes d’un superfluide d’hélium.

Les résultats, publiés dans Nature, ajoutent une nouvelle caractéristique à la liste des propriétés remarquables attribuées au plasma quark-gluon. Cette soupe, constituée des briques fondamentales de la matière qui sont les quarks et les gluons, possède une température qui est des centaines de milliers de fois plus élevées que celle du centre du soleil. La soupe possède également une ultra-légère (la résistance à l’écoulement) incitant les physiciens à la décrire comme une viscosité quasi parfaite. En étudiant les propriétés et les facteurs qui contrôlent le plasma quark-gluon, les scientifiques espèrent comprendre les secrets de l’une des forces les plus puissantes et les plus méconnues de la nature. C’est cette force qui lie les quarks et les gluons dans les protons et les neutrons. Et les protons et les neutrons forment la plus grande partie de la matière visible dans l’univers.

Plus précisément, les résultats sur la vorticité (le mouvement du fluide tourbillonnant) aideront les scientifiques à faire le tri entre les différentes hypothèses descriptives sur le plasma. Et avec plus de données, ils pourront peut-être mesurer la force du champ magnétique du plasma qui est une variable essentielle pour explorer d’autres phénomènes physiques intéressants.

Jusqu’à présent, l’une des seules choses qu’on connait sur le plasma quark-gluon est qu’il s’agit d’un fluide chaud qui se développe de façon explosive en s’écoulant facilement selon Michael Lisa, physicien de l’Ohio State University (OSU) et membre de la collaboration STAR de RHIC. Mais nous voulons considérablement améliorer notre compréhension. Est-ce qu’il se « thermalise » ou est-ce qu’il atteint rapidement l’équilibre pour former des tourbillons dans le liquide ? Et si c’est le cas, alors comment le fluide répond-il à la vorticité extrême ?

L’alignement des spins

L’hypothèse est que si j’ai un fluide avec une structure tourbillonnante, alors il tend à aligner les spins de ses particules dans la même direction que les tourbillons selon Lisa. Et même s’il peut exister de nombreux petits tourbillons dans le plasma quark-gluon avec des directions aléatoires, la moyenne de leur spin s’aligne sur ce qu’on appelle le moment cinétique du système. Ce moment cinétique est une rotation du système qui est généré par les particules en collision au fur et à mesure que leur vitesse s’approche de celle de la vitesse de la lumière.

Pour suivre les particules en rotation et le moment cinétique, les physiciens ont corrélé des mesures simultanées à 2 composants différents du détecteur. Le premier, connu sous le nom de Beam-Beam Counters, est situé aux extrémités du détecteur STAR pour capter des déviations subtiles dans les trajectoires de collision des particules lorsqu’elles passent l’une à côté de l’autre. La taille et la direction de la déviation indiquent aux physiciens la quantité du moment cinétique et son alignement pour chaque événement de collision.

Le détecteur STAR au Relativistic Heavy Ion Collider situé Brookhaven National Laboratory avec une image superposée des particules suivies par le détecteur - Crédit : Brookhaven National Laboratory

Le détecteur STAR au Relativistic Heavy Ion Collider situé Brookhaven National Laboratory avec une image superposée des particules suivies par le détecteur – Crédit : Brookhaven National Laboratory

Dans le même temps, la Time Project Chamber de STAR, une chambre remplie de gaz qui entoure la zone de collision, suit les trajectoires de milliers de particules qui sortent perpendiculairement au centre des collisions. Nous cherchons spécifiquement des signes d’Hypéron Lambda. Les Hypérons Lambdas sont des particules en rotation qui se décomposent en un proton et un pion que nous mesurons dans la Time Projection Chamber selon Ernst Sichtermann, porte-parole de STAR. Étant donné que le proton est presque aligné avec la direction de spin de l’hypéron, le suivi de ces protons « filles » quand ils frappent le détecteur permet de comprendre l’alignement des Hypérons.

Nous recherchons systématiquement une préférence dans la direction de ces protons « filles » quand ils sont alignés avec le moment cinétique que nous mesurons dans les Beam-Beam Counters selon Upsal. L’ampleur de cette préférence nous indique le niveau de vorticité qui est la fréquence moyenne de rotation du plasma quark-gluon.

Le super spin

Les résultats révèlent que les collisions RHIC créent le fluide le plus vortical qui existe. Un plasma quark-gluon qui tourne plus vite qu’une super-tornade accélérée. En fait, on ne connait aucun fluide qui tourne plus vite que ce plasma. De ce fait, ce liquide idéal avec la plus faible viscosité possède également la plus grande vorticité.

Les chercheurs rapportent que le plasma quark-gluon possède une vitesse de rotation quasi parfaite. Le plasma quark-gluon est la soupe primitive de l'univers primitif.

Crédit : Brookhaven National Laboratory

Et cela fait du sens, car la faible viscosité dans le plasma quark-gluon permet à la vorticité de persister selon Lisa. La viscosité détruit les tourbillons. Si vous faites tourner le QGP, alors il a tendance à continuer de tourner. Et les données sont également cohérentes avec les hypothèses sur la vorticité du QGP. Des hypothèses prédisent différentes quantités selon leurs paramètres. Ainsi, nos résultats nous aideront à trier ces hypothèses et à déterminer quels sont les facteurs les plus pertinents selon Sergei Voloshin de la Wayne State University. Mais la plupart des prédictions théoriques étaient trop faibles. Nos mesures montrent que le QGP possède une vitesse de rotation beaucoup plus rapide que prévu.

Cette découverte a été faite lors du programme Beam Energy Scan, qui exploite la capacité unique de RHIC à modifier systématiquement l’énergie des collisions dans une gamme où on a pu observer d’autres phénomènes particulièrement intéressants.

L’augmentation du nombre d’Hypérons Lambda dans les prochaines collisions au RHIC améliorera la capacité des scientifiques à utiliser ces mesures pour calculer la force du champ magnétique. La force du magnétisme influence le mouvement des particules chargées à mesure qu’elles sont créées et émergent des collisions de sorte que la mesure de sa force est importante pour caractériser pleinement le plasma quark-gluon incluant la façon dont il sépare les particules chargées. La théorie prédit que le champ magnétique créé dans les expériences d’ions lourds est beaucoup plus élevé que tous les autres champs magnétiques dans l’univers selon Lisa. Et donc dans le futur, le plasma quark-gluon pourrait encore battre de nouveaux records.

Source : Nature (http://dx.doi.org/10.1038/nature23004)

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Jacqueline Charpentier

Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

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