Une vue du détecteur Star équipant le RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) et dont la fonction est d'étudier le quagma. © Brookhaven National Laboratory

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Des formes géométriques émergent dans des gouttelettes du quagma du Big Bang

ActualitéClassé sous :physique , atome ultra-froid , quagma

Un plasma de quarks-gluons, encore appelé quagma, existait pendant les premières microsecondes du Big Bang. On peut le reconstituer sur Terre depuis les années 2000 grâce à des collisions d'ions lourds, et maintenant avec des noyaux plus légers. Il se forme alors une sorte de fluide sans viscosité, capable d'adopter des formes, comme des gouttes de liquide.

La théorie des quarks a été proposée indépendamment par deux physiciens, George Zweig et Murray Gell-Mann, en 1964. Elle va progressivement s'imposer malgré un scepticisme initial, dû notamment au fait que ces nouvelles particules ne pouvaient pas être isolées ni observées séparément comme c'est le cas pour les composants des atomes, électrons et nucléons. Les collisions d'hadrons, supposés être formés de quarks, ne donnaient jamais que des hadrons.

Mais au début des années 1970, alors que les données expérimentales commençaient à fournir des preuves incontestables de la structure en quarks des protons et des neutrons en particulier, Gell-Mann et Harald Fritzsch complètent la théorie. Ils découvrent, en 1972, les équations de la QCD (la chromodynamique quantique) qui gouverne les forces nucléaires entre les quarks en introduisant des cousins du photon, les gluons. L'année suivante, en 1973, Gross, Politzer et Wilczek découvrent aussi la liberté asymptotique découlant de ces équations et impliquant que les forces entre quarks ne font qu'augmenter si l'on essaie de les séparer, tant est si bien que l'énergie utilisée pour tenter de le faire provoque la formation de nouveaux quarks qui se lient rapidement en donnant des hadrons.

Les quarks apparaissaient donc comme confinés dans les nucléons. Mais on ne tarda pas à découvrir que dans des conditions de pression et de température analogues à celles du Big Bang, ou rencontrées lors de collisions violentes de nucléons, les quarks devaient se déconfiner pour former un plasma dense et chaud où ils sont libres de se déplacer. Ce nouvel état de la matière, au départ une simple prédiction théorique, a été appelé un quagma et plus généralement un plasma de quarks-gluons.

Une présentation du quagma. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Fermilab

La première création de ce plasma de quarks et de gluons par l'Humanité a été annoncée en février 2000 par les chercheurs du Cern. L'étude de ce plasma s'est poursuivie par la suite surtout au Laboratoire national de Brookhaven aux États-Unis, en particulier avec le collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC, Relativistic Heavy Ion Collider). On le produit essentiellement en accélérant en sens inverse deux faisceaux de noyaux lourds, de cuivre ou d'or pour les faire entrer en collision frontale. On peut faire de même au LHC avec des noyaux de plomb. Des expériences similaires concernant le quagma ont ainsi été réalisées avec le détecteur Alice.

Des bulles de quagma en expansion sans viscosité

Aujourd'hui, les physiciens travaillant avec RHIC, dans le cadre de l'expérience Phenix, viennent de publier un article dans Nature Physics. Un article qui, sans annoncer une percée fondamentale en physique (on sait par exemple qu'il y a des liens entre la physique du quagma et la théorie des supercordes dans le cadre de la fameuse correspondance AdS/CFT), n'en est pas moins intéressant car il valide des prédictions faites il y a quelques années par des chercheurs, comme le physicien Jamie Nagle, en se basant sur des expériences au LHC justement.

Les collisions d'ions lourds font intervenir des centaines de protons et de neutrons et on s'attendait à ne pouvoir observer le quagma que de cette façon. Mais les détecteurs CMS et Alice du LHC ont fourni des indications de l'apparition de ce plasma déjà dans des collisions de protons. Il s'agissait de vérifier ce phénomène de production d'un quagma avec des collisions entre des systèmes contenant un plus petit nombre de nucléons que des ions d'or ou de plomb.

Les théoriciens s'attendaient à ce que le comportement du plasma formé reflète la nature des particules en collision. En effet, le quagma se comporte en fait comme un fluide presque parfait, sans viscosité. Il peut donc s'écouler à la façon de l'hélium liquide avant de se refroidir en donnant des gouttes de liquide hadronique visqueux, c'est-à-dire des hadrons. La géométrie du flot de ces hadrons, dans le détecteur entourant le lieu de formation du quagma, permet de remonter à sa structure initiale, celle d'une goutte de liquide adoptant des formes bien particulières.

L'idée a été mise en pratique avec des collisions de noyaux d'or (symbole Au) avec respectivement des protons, des deutérons (un proton et un neutron) et des noyaux d'hélium trois (3He, deux protons + un neutron). Les flots résultant devaient être là aussi respectivement ceux d'une sphère en expansion, d'un ballon de rugby (la somme de deux sphères en expansion) et d'un triangle (la somme de trois sphères en expansion).

C'est effectivement ce qui a été observé. Ces résultats pourraient aider les théoriciens à mieux comprendre comment le plasma originel de quark-gluon du Big Bang s'est refroidi en quelques millisecondes, donnant naissance aux premiers protons et neutrons.

Voir les explications ci-dessus pour les collisions entre noyaux représentées par un artiste (en bas) et vu dans le détecteur de l'expérience Phenix (en haut). © Javier Orjuela Koop, University of Colorado, Boulder
  • Les quarks, qui s'attirent entre eux avec une force augmentant avec la distance, ne sont jamais solitaires. Mais dans un tout petit volume, avec des pressions et des températures très élevées, les quarks des protons, des neutrons et autres hadrons peuvent exister sous la forme d'une sorte de gaz appelé quagma, ou plasma de quarks et de gluons.
  • Dans ce quagma, qui se comporte comme un liquide parfait sans viscosité, des physiciens, au laboratoire, ont observé des tourbillons dont les vitesses de rotation dépassent de loin celles mesurées dans tous les fluides connus à ce jour.
  • Avec l'expérience Phenix aux États-Unis, les chercheurs ont maintenant observé que du quagma pouvait se former avec des simples collisions entre noyaux légers et lourds alors que l'on pensait qu'il fallait nécessairement des collisions d'ions lourds pour produire sur Terre ce plasma exotique.
Pour en savoir plus

Record de vitesse de rotation dans un liquide avec du quagma

Article de Laurent Sacco publié le 8/08/2017

Le quagma du Big Bang recréé sur Terre avec des collisions d'ions lourds est non seulement le fluide le plus parfait connu au laboratoire mais aussi celui dans lequel les tourbillons sont les plus rapides. On y a mesuré des vitesses de l'ordre de dix mille milliards de milliards de rotations par seconde.

Lorsque l'univers était âgé de moins d'un millionième de seconde et bien après la phase d'inflation qui a dû permettre la création de la matière de l'univers, le cosmos observable devait être composé d'une sorte de plasma de quarks et de gluons, qui, lorsqu'il s'est refroidi, a donné les protons et les neutrons. Cet état particulier de la matière est désigné sous le nom de QGP (pour Quark-Gluon Plasma en anglais) mais aussi sous le terme de quagma. Les physiciens de l'expérience Star l'explorent depuis presque 20 ans au Brookhaven National Laboratory, aux États-Unis.

Pour cela, ils accélèrent des ions lourds, en l'occurrence formés de noyaux d'or, avec le RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) et les font ensuite entrer en collision. Les nucléons de ces noyaux se vaporisent alors en donnant un quagma dont la température peut être de l'ordre de 4.000 milliards de degrés, c'est-à-dire plus de 250.000 fois la température à l'intérieur du Soleil. Les propriétés de ce quagma sont précieuses pour les physiciens car elles pourraient être bavardes sur l'histoire du Big Bang et de la suite, dont nous faisons partie.

Une présentation des recherches sur le quagma avec RHIC. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur " Sous-titres " et enfin sur " Traduire automatiquement ". Choisissez " Français ". © BrookhavenLab

Dix mille milliards de milliards de rotations par seconde dans le quagma

Les chercheurs ont eu la surprise, il y a des années, de découvrir que le quagma se comportait comme un liquide parfait, sans viscosité, ce qui fait penser au comportement de l'hélium liquide près du zéro absolu. Comme ils l'expliquent dans une nouvelle publication sur arXiv, ils viennent de démontrer que les échantillons de quagma qu'ils produisent se comportent comme des fluides en rotation mais à des vitesses jamais observées encore en laboratoire. Le record était détenu jusque-là par des tourbillons dans l'hélium superfluide effectuant 107 rotations par seconde. Dans le cas présent, la vitesse atteignait par moments 1022 rotations par seconde.

Le fait que le quagma produit soit en rotation n'est pas surprenant car les ions n'entrent en collision frontalement que très rarement, de sorte qu'il existe un moment cinétique initial, lequel doit se conserver. L'existence de ce moment pose des contraintes sur les directions dans lesquelles vont se propager ensuite les hadrons, comme les protons et les pions, qui vont se former telles des gouttes de liquide visqueux froid une fois le quagma refroidi par condensation et association des quarks. C'est en mesurant les directions de propagations de protons et de pions provenant eux-mêmes de la désintégration des hypérons, des hadrons lourds produits par le quagma, que les physiciens ont pu remonter à sa vitesse de rotation.


Des atomes ultra-froids pour étudier le quagma ultra-chaud...

Article de Laurent Sacco publié le 22/02/2009

Lors d'un récent colloque de l'American Association for the Advancement of Science (AAAS), des physiciens de trois branches différentes ont fait le point sur une spectaculaire convergence apparue il y a quelques années entre la physique des atomes ultra-froids et celle des collisions d'ions lourds, recréant les températures infernales du plasma de quarks du Big Bang. Le lien commun est la théorie des cordes...

Tout a commencé par un résultat inattendu concernant le comportement du plasma de quark produit par des collisions de noyaux d'or avec le Relativisitic Heavy Ion Collider (RHIC). Dans ces expériences, le résultat des collisions entre ces noyaux accélérés à 99,99 % de la vitesse de la lumière est de recréer les conditions de température et de pression qui devaient régner moins d'un millionième de seconde après la naissance de l'Univers observable. À cette époque, une température de 1012 kelvins régnait dans un plasma de quarks et de gluons. Aucun hadron, comme le proton ou le méson pi, ne pouvait exister. Les calculs indiquaient que ce plasma devait se comporter comme un gaz parfait mais, comme souvent, l'Univers allait se révéler plus étrange qu'on ne l'imaginait...

Les physiciens durent se rendre à l'évidence, le plasma de quarks-gluons, encore appelé quagma, qu'ils observaient dans les collisions de RHIC se comportait comme un fluide parfait ! La « boule de feu » créée entraient alors en expansion à la façon d'un ellipsoïde d'un fluide à la viscosité presque nulle, à la façon de l'hélium superfluide donc.

Tout le monde ne fut pas complètement surpris... en particulier certains théoriciens des cordes. En effet, depuis le milieu des années 1990, la seconde révolution des supercordes avait conduit à une conjecture extraordinaire dont aucun contre-exemple n'a été trouvé depuis. En 1997, le physicien argentin d'origine italienne Juan Maldacena, à la suite de ses travaux sur la description de l'évaporation des trous noirs de Stephen Hawking à l'aide de la théorie des cordes, en était arrivé à ce postulat : les solutions des équations de la théorie unifiée de la matière, de la gravitation et des autres forces de l'Univers dans un cadre quantique étaient en fait en correspondance avec les solutions d'une classe particulière d'équations, celle des champs de Yang-Mills conformes supersymétriques.

Cliquer pour agrandir. Gaz d'atomes ultra-froids et plasma de quarks-gluons semblent séparés par de trop grandes différences d'échelles en température, volume et densité pour obéir à des lois identiques. C'est pourtant le cas ! Peter Steinberg, Brookhaven National Laboratory

Ce n'est pas ici le lieu de parler de cette correspondance fort complexe mais il suffit de dire que, si elle est exacte, elle établit une sorte de dictionnaire entre deux langages traitant d'objets appartenant à des mondes différents. Ainsi, l'évaporation d'un trou noir dans un espace-temps à 10 dimensions avec un rayonnement de corps noir se trouve reliée mathématiquement aux phénomènes se déroulant lors de la formation d'un plasma de quarks-gluons. Rapidement en effet, la boule de plasma devient une sorte de boule de mésons pi et de hadrons chauds, s'évaporant selon la même loi du corps noir mais dans un espace-temps à quatre dimensions.

À la recherche d'un liquide parfait

Or, selon cette conjecture dite aujourd'hui conjecture de Maldacena, les calculs effectués sur les trous noirs étant plus faciles que dans le cas des équations de Yang-Mills de la théorie des quarks et des gluons. Certains théoriciens des cordes en avaient déduit que le quagma devait effectivement se comporter comme un liquide parfait et pas comme un gaz parfait. Mieux, une prédiction précise sur la valeur minimale du rapport viscosité/entropie du fluide était donnée : 1/4 Pi. Les valeurs observées à RHIC semblaient en bon accord avec cette prédiction mais, en raison de la difficulté de la mesure, certains restaient dubitatifs.

Remarquablement, il existe un système physique qui doit lui aussi se comporter comme un liquide presque parfait et conduire à l'analogue de l'expérience de RHIC. Il s'agit d'un gaz d'atomes de lithium ultra-froids piégés à l'aide de lasers.

À l'université de Duke, le physicien John Thomas et ses collègues se sont alors lancé dans l'aventure et ont réalisé l'expérience.

On commence par refroidir à l'intérieur d'un piège optique ces atomes qui forment alors des paires de Cooper, comme les électrons dans un supraconducteur. Plongées dans un champ magnétique adéquat, les interactions entre les paires d'atomes disparaissent à l'exception d'effets quantiques et le tout se comporte comme un fluide quantique parfait. Si l'on coupe les lasers, les atomes de lithium confinés en boule entrent en expansion à la façon du quagma dans les expériences de RHIC. La boule prend rapidement la forme d'un ellipsoïde (comme on peut le voir sur le schéma ci-dessous à gauche) et on peut en déduire le fameux rapport viscosité/entropie.

Remarquablement, selon la théorie des cordes, des systèmes aussi divers que des trous noirs, des supraconducteurs ou des gaz d'atomes ultra-froids sont décrits par des équations reliées mathématiquement entre elles par les mathématiques de la théorie des cordes. © John Thomas

Les mesures précises ont vérifié la prédiction de la théorie de cordes !

Il semble bien qu'il y ait là des correspondances profondes entre des théories et des systèmes physiques très différents. D'un côté, la théorie des interactions fortes entre quarks, de l'autre la physique de la matière condensé avec des atomes et finalement, faisant un lien mathématique entre eux, la théorie des cordes sous la forme de la conjecture de Maldacena.

On reste pantois devant le fait qu'un système refroidi à 10-7 K puisse renseigner sur ce qui se passe dans un système porté à 1012 K. Ce dernier étant en effet dix milliards de milliards de fois plus chaud !

S'agit-il d'une preuve de la validité de la théorie des cordes ?

La réponse est en fait... non ! Mais cela donne à réfléchir. En effet, il s'agit seulement d'une preuve que la théorie des cordes est bien physiquement et mathématiquement très bien fondée et qu'elle constitue un puissant outil d'analyse mathématique des équations de la mécanique quantique décrivant les champs de matière, d'interactions et les systèmes de particules comme des atomes. Mais, pour le moment, cela ne démontre pas que les forces et la matière de l'Univers sont bien unifiées par cette théorie à 11 dimensions d'espace et de temps. De façon analogue, ce n'est pas parce que la théorie mathématique des ondes découverte grâce aux cordes vibrantes et aux vagues à la surface l'eau s'applique aussi aux champs électromagnétiques ou aux ondes de matière qu'il faut en déduire que l'éther existe...

Mais, incontestablement, elle renforce la conviction du théoricien, la théorie des cordes est bien le meilleur candidat et la meilleure hypothèse de travail dont nous disposons pour unifier les lois de la physique. Cependant, c'est plutôt dans la direction d'expériences et d'observations du genre de celles proposées par John Ellis et ses collègues qu'un espoir de preuve de la théorie des cordes doit être recherché.

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