Les plasmas de quarks et de gluons sont parmi les sujets les plus étudiés par les physiciens ces derniers temps. Grâce aux plus grands accélérateurs de particules en service aujourd'hui, le Large Hadron Collider (LHC) en Europe et le Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) aux États-Unis, il est désormais possible de reproduire un plasma de quarks-gluons en laboratoire. Cet état de la matière aurait prédominé dans l'univers une fraction de seconde après le Big Bang.

Selon le modèle cosmologique standard, la durée du plasma quark-gluon dans l'univers primordial n'était pas plus d'un millionième de seconde, puisque l'on pense que l'univers s'est refroidi d'environ 10 ^-6 secondes après le Big Bang au point que les quarks et les gluons ne pouvaient plus se déplacer librement et se sont plutôt confinés dans des hadrons (protons, neutrons, mésons, etc.). Dans les collisions nucléaires à haute énergie produites au LHC et au RHIC, les plasmas de quarks et de gluons durent encore moins longtemps - environ 10 ^-23 secondes—à cause des gradients de pression abrupts. Malgré leur caractère éphémère et leur petit volume (le diamètre d'un proton est de l'ordre de 10 ^-15 m), les plasmas quark-gluon cachent une activité interne intense et complexe.

Cette activité se révèle progressivement dans les expériences LHC et RHIC, et de nouvelles approches théoriques ont été développées pour expliquer ou prédire leurs résultats. Un cas d'espèce, parmi beaucoup d'autres, est l'étude intitulée "Prédictions hydrodynamiques pour les corrélations harmoniques mixtes dans les collisions Au+Au de 200 GeV, " Publié dans Examen physique C et mis en évidence en tant que suggestion des éditeurs.

L'étude a été menée par Fernando Gardim du Science &Technology Institute de l'Université fédérale d'Alfenas, État du Minas Gerais (sud-est du Brésil); Frédérique Grassi et Matthew Luzum de l'Institut de physique de l'Université de São Paulo (USP); et Jacquelyn Noronha-Hostler du Département de physique de l'Université de Houston.

« En raison de sa très courte durée, un plasma quark-gluon ne peut pas être observé directement, " a déclaré Grassi. " Les expériences sont capables de détecter les hadrons formés lorsque les quarks et les gluons se recombinent. Ces hadrons se propagent dans plusieurs directions. Leur distribution angulaire autour de l'axe de collision fournit des informations très pertinentes sur la structure et la dynamique du plasma et, par conséquent, sur la nature des interactions fondamentales dans la matière. Notre étude, qui était théorique, a cherché à prédire des modèles spécifiques dans la distribution angulaire des hadrons."

Les chercheurs ont utilisé un modèle hydrodynamique appelé NeXSPheRIO, qui a reproduit avec précision un large éventail de données obtenues expérimentalement au RHIC. Les simulations informatiques réalisées sur cette base ont permis aux chercheurs de faire des prédictions qui peuvent être testées dans de nouvelles expériences afin que le modèle puisse être validé ou corrigé.

« La distribution angulaire observée dans les expériences est décomposée en une séquence connue en mathématiques sous le nom de série de Fourier, " explique Grassi. " Chaque terme de la série correspond à une particularité de la distribution, et la série dans son ensemble nous dit combien de particules se déplacent selon chaque modèle. L'expression « corrélations harmoniques mixtes » utilisée dans le titre est le terme technique qui désigne les corrélations entre les différents coefficients de Fourier.

« Si un plasma quark-gluon était strictement homogène et avait les propriétés d'un gaz - si ses particules interagissaient très peu - alors le flux de hadrons résultant serait isotrope [égal dans toutes les directions]. Mais ce n'est pas le cas. Flux réels détectés expérimentalement sont anisotropes, et la distribution angulaire présente des coefficients de Fourier non nuls, ce qui nous dit que le plasma n'est pas homogène et que ses particules interagissent fortement."

Les coefficients de distribution sont classés selon leurs caractéristiques géométriques comme elliptiques, triangulaire, quadrangulaire, pentagonal, etc. Le flux prédominant est elliptique, car le jet de hadrons est beaucoup plus fort dans l'une des directions orthogonales à l'axe de collision. Cette répartition, qui résulte de l'interaction forte entre quarks et gluons, indique que le plasma n'est pas un gaz mais un liquide. Cependant, ce n'est pas n'importe quel liquide. Le fait que le flux elliptique ne soit pas atténué montre que la viscosité de ce liquide est extrêmement faible. En réalité, un plasma de quarks et de gluons est le liquide le moins visqueux ou le plus parfait jamais découvert.

"Des recherches antérieures avaient déjà montré qu'un plasma de quarks-gluons est un liquide quasi parfait. Notre étude a ajouté une meilleure compréhension de la non-homogénéité de la distribution d'énergie à l'intérieur du plasma, " explique Grassi. Avec sa durée très courte et ses dimensions infimes, un plasma quark-gluon est hautement dynamique. Les fluctuations font varier sa densité énergétique d'une région à l'autre. L'étude permet de mieux comprendre le lien entre ces dynamiques et les fluctuations.

« Parce que NeXSPheRIO a jusqu'à présent bien d'accord avec toutes les observations faites à ce jour au RHIC, nous pensons que ses prédictions peuvent être utilisées comme base de comparaison pour de nouvelles mesures à effectuer au collisionneur américain, " a déclaré Grassi. " Tout écart par rapport aux prévisions fournira des informations précieuses et non négligeables, soit sur la phase initiale de la collision qui donne naissance au plasma, soit sur les propriétés intrinsèques du milieu."