A son démarrage, l'univers était un melting-pot très chaud qui a très brièvement servi une soupe de particules ressemblant à un "parfait, " fluide sans friction. Les scientifiques ont recréé cette " soupe, " connu sous le nom de plasma quark-gluon, dans les collisions nucléaires à haute énergie pour mieux comprendre les origines de notre univers et la nature de la matière elle-même. La physique peut également être pertinente pour les étoiles à neutrons, qui sont les noyaux extraordinairement denses des étoiles effondrées.

Maintenant, de puissantes simulations sur ordinateur de noyaux atomiques en collision, menée par une équipe internationale de chercheurs dont un physicien du Berkeley Lab, fournir de nouvelles informations sur la torsion, structure en forme de tourbillon de cette soupe et ce qui est à l'œuvre à l'intérieur, et éclaire également un chemin vers la façon dont les expériences pourraient confirmer ces caractéristiques. L'ouvrage est publié dans l'édition du 1er novembre de Lettres d'examen physique .

Question, déconstruit

Cette soupe contient les ingrédients déconstruits de la matière, à savoir des particules fondamentales appelées quarks et d'autres particules appelées gluons qui se lient généralement aux quarks pour former d'autres particules, comme les protons et les neutrons trouvés au cœur des atomes. Dans cet état de plasma exotique - qui peut atteindre des milliards de degrés Fahrenheit, des centaines de milliers de fois plus chaud que le noyau du soleil - les protons et les neutrons fondent, libérer les quarks et les gluons de leurs limites habituelles au centre des atomes.

Ces températures record ont été atteintes par la collision de noyaux d'or au RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) du Brookhaven National Laboratory, par exemple, et des noyaux de plomb au LHC (Large Hadron Collider) du CERN. Des expériences au RHIC ont découvert en 2005 que le plasma de quarks et de gluons se comporte comme un fluide. En plus des noyaux d'or, Le RHIC a également été utilisé pour faire entrer en collision des protons, cuivre et uranium. Le LHC a commencé à mener des expériences sur les ions lourds en 2014, et a confirmé que le plasma quark-gluon se comporte comme un fluide.

Il reste de nombreux mystères sur le fonctionnement interne de cet état plasma de courte durée, qui n'a peut-être existé que pendant des millionièmes de seconde dans l'univers nouveau-né, et les physiciens nucléaires utilisent un mélange de théorie, simulations et expériences pour glaner de nouveaux détails sur cette soupe subatomique.

Complexité surprenante dans la structure du plasma

"Dans nos simulations sophistiquées, nous avons constaté qu'il y a beaucoup plus de structure dans ce plasma que nous ne le pensions, " dit Xin-Nian Wang, un théoricien de la Division des sciences nucléaires du Berkeley Lab qui a travaillé pendant des années sur la physique des collisions nucléaires à haute énergie.

Lorsqu'il est tracé en deux dimensions, les simulations ont révélé que des collisions légèrement excentrées de noyaux lourds produisent un fluide oscillant et en expansion, Wang a dit, avec une rotation locale qui est tordue à la manière d'un tire-bouchon.

Ce caractère tire-bouchon concerne les propriétés des noyaux en collision qui ont créé le plasma, que la simulation montrait s'étendant le long et perpendiculairement à la direction du faisceau. Comme faire tourner une pièce en la faisant glisser avec votre doigt, les simulations ont montré que les propriétés de moment angulaire des noyaux en collision peuvent transférer des propriétés de spin au plasma de quarks et de gluons sous forme de tourbillon, structures en forme d'anneau appelées vortex.

Les simulations ont montré deux de ces tourbillons en forme de beignet - chacun avec une orientation vers la droite autour de chaque direction des faisceaux séparés des noyaux en collision - ainsi que de nombreuses paires de tourbillons orientés de manière opposée le long de la dimension la plus longue du plasma. Ces caractéristiques en forme de beignet sont analogues aux anneaux de fumée tourbillonnants et sont une caractéristique courante dans les études classiques des fluides, un domaine connu sous le nom d'hydrodynamique.

Les simulations ont également révélé un écoulement vers l'extérieur à partir de points chauds dans le plasma qui ressemblent aux rayons d'une roue. L'échelle de temps couverte par la simulation était infiniment petite, Wang a dit, à peu près le temps qu'il faut à la lumière pour parcourir la distance de 10 à 20 protons. Pendant ce temps, le fluide vacillant explose comme une boule de feu, jaillissant la soupe de particules vers l'extérieur depuis son milieu plus rapidement que depuis son sommet.

Toute nouvelle compréhension des propriétés du plasma quark-gluon devrait être utile pour interpréter les données d'expériences de collision de noyaux, Wang a dit, notant que l'émergence de plusieurs structures localisées en forme de beignet dans les simulations était "complètement inattendue".

Démêler un mystère

"Nous pouvons considérer cela comme l'ouverture d'une toute nouvelle fenêtre d'observation des plasmas de quarks et de gluons, et comment les étudier, " a-t-il dit. " J'espère que cela fournira une autre porte d'entrée pour comprendre pourquoi ce fluide quark-gluon est un fluide si parfait - la nature de pourquoi c'est ainsi est toujours un casse-tête. Ce travail bénéficiera non seulement à la théorie, mais aussi des expérimentations."

Les simulations fournissent plus de preuves que le plasma de quarks-gluons se comporte comme un fluide, et non un gaz comme on l'avait théorisé autrefois. "La seule façon de décrire cela est d'avoir une très faible viscosité, " ou presque aucun frottement, une caractéristique d'un soi-disant « fluide parfait » ou « fluide fondamental, '", a déclaré Wang. Mais contrairement à un fluide familier comme l'eau, la simulation se concentre sur un état fluide des centaines de fois plus petit qu'une molécule d'eau.

Michel Lisa, un professeur de physique à l'Ohio State University qui fait partie de la collaboration soutenant le Solenoidal Tracker au RHIC (STAR), a déclaré que la soi-disant vorticité ou "structure de tourbillon" de ce plasma n'a jamais été mesurée expérimentalement, bien que ce dernier travail théorique puisse aider à s'y retrouver. STAR est conçu pour étudier la formation et les caractéristiques du plasma quark-gluon.

"Wang et ses collaborateurs ont développé un modèle hydrodynamique de pointe du plasma de quarks-gluons et ont identifié des structures tourbillonnantes qui varient dans le fluide lui-même, " Il a dit. " Encore plus utile est le fait qu'ils proposent une méthode pour mesurer ces structures en laboratoire. "

Lisa a également déclaré qu'il y avait des travaux d'analyse en cours pour confirmer les résultats de la simulation dans les données d'expériences au RHIC et au LHC. "Ce sont précisément des innovations comme celle-ci, où théorie et expérimentation collaborent pour explorer de nouveaux phénomènes, qui recèlent le plus grand espoir d'une meilleure compréhension du plasma quark-gluon, " il a dit.

"De nombreux outils ont été utilisés pour sonder la mécanique de fonctionnement interne et les propriétés de symétrie de cette matière unique, " dit Zhangbu Xu, un porte-parole de la collaboration STAR et un scientifique du Brookhaven National Laboratory. Il a également déclaré que les résultats préliminaires de STAR suggèrent également un mouvement de rotation dans le fluide, et le travail de simulation "ajoute une nouvelle dimension" à cette possibilité.