Les collisions de noyaux de plomb dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC) ont lieu à des énergies si élevées que des quarks qui sont normalement confinés à l'intérieur des nucléons sont libérés et, avec les gluons qui les maintiennent ensemble, forment un plasma exotique de quarks et de gluons. Un nouveau, modèle théorique plus détaillé de ce plasma, présenté par un groupe de physiciens de Pologne et des États-Unis, prédit qu'il a une viscosité beaucoup plus faible que précédemment estimé.

Notre monde quotidien se compose principalement de protons et de neutrons, contenant chacun trois quarks maintenus ensemble par des interactions fortes véhiculées par des porteurs appelés gluons. Contrairement à la gravité, qui agit plus faiblement à distance, les interactions fortes des quarks augmentent avec la distance. Les quarks se comportent comme s'ils étaient reliés à des sources - plus vous les séparez, plus ils essaient de rester connectés. Cependant, les énergies des particules accélérées à l'intérieur du LHC sont si élevées que, lors de collisions, les quarks sont libérés des protons. Le plasma quark-gluon est produit pendant une courte période, le fluide le plus exotique jamais examiné en laboratoire. Jusque récemment, les physiciens croyaient qu'il était assez visqueux. Une conclusion différente a émergé des analyses effectuées par des chercheurs de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie et de l'Université d'État de Kent dans le Kent (Ohio, ETATS-UNIS).

« En physique, les écoulements sont décrits à l'aide d'équations hydrodynamiques. En appliquant les versions les plus simples de celles-ci à l'évolution du plasma quark-gluon, les prédictions sont tout à fait cohérentes avec les mesures de collision du LHC. A première vue, la soupe de quark et de gluon semble vraiment se comporter selon des attentes simples. Cependant, quand on commence à regarder de près, il devient rapidement évident que nous avons affaire à un phénomène très complexe, " dit le Dr Radoslaw Ryblewski (FIJ PAN).

La description mathématique du fluide suppose que le fluide est parfait, c'est-à-dire sans viscosité. Puisqu'il n'y a pas de fluides parfaits dans la nature, diverses corrections sont introduites pour améliorer la précision des équations hydrodynamiques. Cependant, les variantes résultantes de l'hydrodynamique des fluides visqueux sont basées sur d'autres hypothèses, par exemple, que les pressions dans le fluide changent de la même manière dans toutes les directions.

"Le problème est que le plasma quark-gluon dans le LHC est produit d'une manière très spécifique, à la suite de collisions de noyaux de plomb s'approchant dans une direction à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Par conséquent, le fluide formé par les quarks et les gluons se déplace initialement dans la direction du faisceau, et ce n'est qu'alors qu'il commence à se refroidir et à se diluer dans toutes les directions, " explique le Dr Ryblewski. " Lors de la création d'un modèle, l'ampleur du défi augmente encore lorsque l'on essaie de prendre en compte le fait qu'au début du processus, le fluide est différent qu'à la fin car après refroidissement, les quarks commencent progressivement à se recoller. Donc, avec le professeur Wojciech Florkowski, nous avons commencé à développer un modèle plus détaillé du phénomène :hydrodynamique anisotrope, construit sur l'hypothèse que le système ne se comporte pas de la même manière dans toutes les directions."

Le dernier modèle théorique, construit sur la base de l'hydrodynamique anisotrope, vient d'être présenté dans Lettres d'examen physique . L'une de ses conclusions les plus intéressantes concerne la viscosité du plasma quark-gluon. Cette viscosité s'avère être six fois inférieure aux prédictions numériques d'autres modèles basés sur l'hydrodynamique des fluides visqueux.

Contrairement aux équations précédentes, dans certains cas, les nouveaux peuvent être résolus avec pratiquement n'importe quel niveau de précision. En combinant leurs prédictions avec les données d'autres modèles et en les comparant à plusieurs reprises aux mesures réelles de l'expérience ALICE au LHC, l'équipe polono-américaine a démontré que l'hydrodynamique anisotrope est actuellement la description la plus précise des phénomènes se produisant dans le plasma quark-gluon.