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Des signes de violation P et CP dans le plasma de quarks-gluons ?

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Depuis plusieurs années, les chercheurs travaillant au Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), aux Etats-Unis, recréent les conditions d'apparition du plasma de quarks-gluons qui devait exister moins d'un millionième de seconde après le Big Bang. Ils pensent avoir découvert des signes de violation des symétries dont l'une est liée à la prédominance de la matière sur l'antimatière dans l'Univers.

Le plasma de quarks-gluons vu par les détecteurs du RHIC. Crédit Brookhaven National Laboratory

Comme l'ont montré les prix Nobel Frank Wilczek et David Gross au début des années 1970 (Politzer et 't Hooft avaient fait la même découverte indépendamment), la forces liant les quarks dans les protons et les neutrons croît avec la distance les séparant , à l'inverse des forces électrofaibles et gravitationnelles. Tenter de séparer les deux quarks dans un méson pi pour les observer à l'état libre ne peut que conduire à fournir une énergie suffisante pour créer deux particules. Une bonne analogie est celle de l'élastique dont on voudrait éloigner les deux extrémités. La force à exercer augmente jusqu'à ce que le brin casse, donnant deux élastiques.

On pourrait penser qu'il n'est pas possible d'observer des quarks à l'état libre mais ce n'est pas tout à fait vrai. En effet, à des pressions ou des températures suffisamment élevées et avec une densité importante de protons et de neutrons, il se produit un déconfinement des quarks et des gluons qui forment alors un gaz, un plasma pour être plus précis. Ces particules peuvent alors s'y déplacer librement. Toutefois, faire baisser la température ou la pression ne produira à nouveau que des hadrons et pas des particules libres. Ces particules peuvent être vues comme des gouttes de liquide de ce gaz de quarks-gluons refroidi.

Cet état particulier de la matière devait exister au tout début du Big Bang et on pense même qu'à l'intérieur de certaines étoiles à neutrons, la matière retourne à cet état primitif. Certains vont même jusqu'à envisager des étoiles à quarks.

Pour mieux comprendre la chromodynamique quantique (QCD), la théorie décrivant la force nucléaire forte, ainsi que l'origine de l'Univers, les physiciens des hautes énergies ont entrepris depuis plusieurs dizaines d'années de recréer en laboratoire les conditions du Big Bang pendant l'ère du plasma de quarks-gluons.

C'est pourquoi ils font entrer en collision des faisceaux d'ions lourds, comme c'est actuellement le cas au Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Le même genre d'expérience est prévu dans un avenir proche au LHC, à l'aide du détecteur Alice.

Au RHIC, on accélère des ions depuis 2000 et on produit ainsi à partir des collisions de noyaux d'or des températures 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. C'est plus qu'assez pour vaporiser les neutrons et les protons dans ces noyaux.

Les chercheurs ont bien observé l'apparition d'un plasma de quarks-gluons mais à leur grande surprise, et comme ils l'ont annoncé en 2005, ce plasma ne se comporte pas comme un gaz parfait mais comme un liquide parfait. Ce n'était pas la prédiction que l'on avait initialement tirée des équations de la QCD. Remarquablement pourtant, les théoriciens des supercordes ne tardèrent pas à conclure que c'est bien ce à quoi on devait s'attendre si l'on prenait au sérieux les conséquences mathématiques de la théorie des cordes concernant les champs quantiques relativistes de type Yang-Mills, exactement ceux à la base de la QCD.


Une vidéo en anglais sur les expériences du RHIC ayant conduit à détecter des violations de symétrie P et CP. Crédit Brookhaven National Laboratory

Une violation qui aurait plu à Sakharov

Aujourd'hui, les membres de l'expérience Star, au RHIC, publient dans Physical Review Letters une autre découverte réalisée en analysant patiemment les résultats des observations faites avec les détecteurs équipant le RHIC. Le QGP (pour Quark-Gluon Plasma) semble montrer des signes de violations de la parité et de la symétrie CP.

En effet, les noyaux et les particules sont chargées et lors des collisions, le mouvement des charges génère un puissant champ magnétique local dans la zone de collision. Or, en étudiant les distributions des particules chargées éjectées par ces collisions, il semble que les particules positives soient préférentiellement émises parallèlement aux lignes de champ magnétique et celles négativement chargées dans la direction opposée. Ce phénomène n'étant pas invariant si l'on considère son image par un miroir. Il viole ce qu'on appelle la symétrie P, c'est-à-dire la parité.

Mais il y a plus. Bien qu'elle soit plus ténue, on observe aussi les signes d'une violation de la symétrie CP. En d'autres termes, les résultats de l'expérience ne sont pas identiques à ceux que l'on aurait en considérant non seulement son image miroir mais aussi en prenant l'inverse des signes des charges des particules. Cela est très intéressant car la violation CP est un des trois ingrédients essentiels postulés par Sakharov pour tout mécanisme capable d'expliquer la prédominance de la matière sur l'antimatière.

La violation CP observée dans le QGP est par elle-même incapable d'expliquer cette asymétrie primordiale de l'Univers. Cependant, elle nous montre peut-être une image analogue au plasma de particules qui emplissait le cosmos très tôt dans son histoire, probablement à une époque de l'Univers pour la description de laquelle des théories de grande unification sont pertinentes.

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