Le plasma quark-gluon se forme à la suite de collisions à haute énergie d'ions lourds. Après une collision, pendant une dizaine de yoctosecondes (10 ^-24 secondes), ce plus parfait de tous les fluides connus subit une expansion hydrodynamique rapide avec des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Une équipe internationale de scientifiques, associé à la FIJ PAN et au Centre GSI, a présenté un nouveau modèle décrivant ces flux extrêmes. Pour la première fois, les effets résultant de la rotation quantique des particules sont pris en compte.

Chaque proton et chaque neutron est composé de plusieurs quarks liés par des interactions fortes portées par des particules intermédiaires appelées gluons. Lorsque des ions lourds constitués de protons et de neutrons proches de la vitesse de la lumière entrent en collision les uns avec les autres, ils sont généralement détruits, se transformant en un plasma exotique de quarks et de gluons. En raison de sa viscosité négligeable, ce plasma est considéré comme le fluide le plus parfait de l'univers. De nouvelles mesures expérimentales, cependant, suggèrent que les particules quittant le plasma présentent un arrangement non trivial de leurs directions de spin. Pour expliquer ces résultats, un groupe de scientifiques de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie et du GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research à Darmstadt (Allemagne) a présenté un nouveau modèle de flux relativistes de plasma quark-gluon, en tenant compte des phénomènes résultant du spin quantique des particules qui le composent.

Pendant une dizaine de microsecondes après le Big Bang, le plasma quark-gluon a rempli tout l'Univers. Cependant, il s'est rapidement refroidi et les gluons ont regroupé les quarks en groupes, les particules dont notre monde est construit. Par conséquent, le fluide quark-gluon ne peut aujourd'hui être considéré que comme l'effet de collisions à haute énergie d'ions lourds (et, peut-être, également de petits systèmes de collision constitués de protons et d'ions). Des collisions de ce type sont actuellement réalisées dans quelques centres accélérateurs dans le monde.

L'écoulement des fluides et des gaz est traité en hydrodynamique, un domaine en développement depuis des siècles. Après l'émergence de la théorie de la relativité, l'hydrodynamique classique a été prolongée par des phénomènes relativistes, se produisant lorsque le fluide s'écoule à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Après la naissance de la théorie quantique, l'hydrodynamique a été étendue par des descriptions de l'écoulement des particules avec spin.

Le spin est une caractéristique des particules élémentaires associée aux propriétés de leurs fonctions d'onde par rapport à la rotation. Il ne peut prendre que des valeurs discrètes, par exemple. 0, 1/2, 1, 3/2, etc. La direction de spin des particules de spin 1/2 peut être égale à +1/2 ou -1/2 par rapport à n'importe quel axe. La polarisation non nulle des particules de spin 1/2 signifie que les particules produites sont plus susceptibles de prendre une direction de spin (+1/2 ou -1/2).

« L'hydrodynamique est un excellent outil pour décrire de nombreux phénomènes physiques. Nous avons élargi son champ d'application. Nous sommes les premiers à présenter une description cohérente des écoulements relativistes de particules de spin 1/2, " explique le Prof. Wojciech Florkowski (IFJ PAN, UJK, EMMI), qui en collaboration avec le groupe du Prof. Bengt Friman (GSI) a développé un nouveau modèle d'écoulement.

Les travaux sur le modèle des écoulements relativistes avec spin se sont inspirés des mesures récentes de la polarisation des spins des particules appelées hypérons lambda (il s'agit de conglomérats de trois quarks :up, bas et étrange, avec une rotation totale de 1/2), enregistré dans les collisions d'ions lourds. Les physiciens expérimentent depuis longtemps pour essayer de mieux comprendre la polarisation des hypérons lambda. Les mesures, cependant, étaient soumis à une incertitude considérable. Récemment, dans des expériences menées au Brookhaven National Laboratory à New York, il a été montré que les spins des hypérons lambda se formaient lors de collisions de noyaux lourds polarisés.

On sait depuis longtemps que le spin d'un objet quantique contribue à sa quantité de mouvement totale. Par exemple, dans les matériaux ferromagnétiques, l'effet Einstein-de Haas peut être observé. Lorsqu'un système non polarisé est placé dans un champ magnétique, le spin des particules commence à s'orienter en fonction du champ magnétique, ce qui signifie que pour maintenir le moment cinétique total, le système doit commencer à tourner. L'observation de la polarisation des hypérons lambda formés à la suite des transformations plasma quark-gluon indique ainsi le rôle difficilement méconnu du spin dans la formation de l'écoulement de ce plasma.

Le modèle présenté par le groupe de physiciens de l'IFJ PAN et GSI est une généralisation de l'hydrodynamique des fluides parfaits. Comme il y a spin dans les systèmes décrits, le principe de conservation du moment angulaire aurait dû être inclus dans la description théorique.

« De même que la température est associée au principe de conservation de l'énergie, vitesse avec le principe de conservation de la quantité de mouvement, et le potentiel électrique avec le principe de conservation du courant de charge, donc dans les systèmes que nous décrivons, la polarisation de spin est associée au principe de conservation de la quantité de mouvement. Lorsque vous tenez compte de ce principe, vous obtenez des équations supplémentaires, mieux décrire l'évolution du système, " explique le Pr Florkowski.

Le plasma quark-gluon est un état de la matière si exotique que pendant des décennies, les applications technologiques seront hors de portée. Cependant, ces études ont aujourd'hui des implications importantes. Les flux relativistes de particules avec spin sont une nouvelle fenêtre sur le monde des interactions fortes, lequel, entre autres, lier les quarks dans les protons et les neutrons. Ainsi, les interactions fortes jouent un rôle très important dans l'univers, mais ils sont extrêmement compliqués à décrire. Par conséquent, les chercheurs espèrent que dans les écoulements relativistes avec spin il sera possible de mieux connaître ces effets.