Qu'est-ce que le plasma quark-gluon - la soupe chaude de particules élémentaires formée quelques microsecondes après le Big Bang - a en commun avec l'eau du robinet ? Les scientifiques disent que c'est la façon dont il coule.

Une nouvelle étude, publié aujourd'hui dans la revue SciPost Physique , a mis en évidence les similitudes surprenantes entre le plasma de quarks et de gluons, la première matière qui aurait rempli l'Univers primitif, et l'eau qui vient de notre robinet.

Le rapport entre la viscosité d'un fluide, la mesure de l'écoulement, et sa densité, décide comment il s'écoule. Alors que la viscosité et la densité du plasma quark-gluon sont d'environ 16 ordres de grandeur plus grandes que dans l'eau, les chercheurs ont découvert que le rapport entre la viscosité et la densité des deux types de fluides est le même. Cela suggère que l'un des états de la matière les plus exotiques connus dans notre univers s'écoulerait de votre robinet à peu près de la même manière que l'eau.

La matière qui compose notre Univers est composée d'atomes, qui sont constitués de noyaux avec des électrons en orbite. Les noyaux sont constitués de protons et de neutrons appelés collectivement nucléons et ceux-ci sont à leur tour constitués de quarks interagissant via des gluons. À des températures très élevées, environ un million de fois plus chaudes que le centre du Soleil, les quarks et les gluons se libèrent de leurs nucléons parents et forment à la place un corps dense, soupe chaude connue sous le nom de plasma quark-gluon.

On pense que peu de temps après le Big Bang, l'univers primitif était rempli d'un plasma de quarks et de gluons incroyablement chaud. Cela a ensuite refroidi quelques microsecondes plus tard pour former les blocs de construction de toute la matière trouvée dans notre univers. Depuis le début des années 2000, les scientifiques ont pu recréer expérimentalement un plasma quark-gluon à l'aide de grands collisionneurs de particules, qui a fourni de nouvelles perspectives sur cet état exotique de la matière.

On pense que la matière ordinaire que nous rencontrons quotidiennement a des propriétés très différentes de celles du plasma de quarks et de gluons trouvé dans les premiers débuts de l'Univers. Par exemple, les fluides comme l'eau sont régis par le comportement d'atomes et de molécules qui sont beaucoup plus gros que les particules trouvées dans le plasma quark-gluon, et sont maintenus ensemble par des forces plus faibles.

Cependant, l'étude récente montre que malgré ces différences le rapport de la viscosité et de la densité, connue sous le nom de viscosité cinématique, est proche à la fois dans le plasma quark-gluon et dans les liquides ordinaires. Ce rapport est important car le débit de fluide ne dépend pas uniquement de la viscosité mais est régi par l'équation de Navier-Stokes qui contient la densité et la viscosité. Par conséquent, si ce rapport est le même pour deux fluides différents ces deux fluides s'écouleront de la même manière même s'ils ont des viscosités et des densités très différentes.

Surtout, ce n'est pas n'importe quelle viscosité liquide qui coïncide avec la viscosité du plasma quark-gluon. En effet, la viscosité du liquide peut varier de plusieurs ordres de grandeur en fonction de la température. Cependant, il y a un point très particulier où la viscosité du liquide a une limite inférieure presque universelle. Des recherches antérieures ont montré que dans cette limite, la viscosité du fluide est régie par des constantes physiques fondamentales telles que la constante de Planck et la masse du nucléon. Ce sont ces constantes de la nature qui décident en fin de compte si un proton est une particule stable, et régissent des processus tels que la synthèse nucléaire dans les étoiles et la création d'éléments biochimiques essentiels nécessaires à la vie. L'étude récente a révélé que c'est cette limite inférieure universelle de viscosité des fluides ordinaires comme l'eau qui s'avère être proche de la viscosité du plasma quark-gluon.

Professeur Kostia Trachenko, Professeur de physique à l'Université Queen Mary de Londres et auteur du récent article, a déclaré:"Nous ne comprenons pas encore pleinement l'origine de cette similitude frappante, mais nous pensons qu'elle pourrait être liée aux constantes physiques fondamentales qui définissent à la fois la limite inférieure universelle de viscosité pour les liquides ordinaires et le plasma quark-gluon."

"Cette étude fournit un exemple assez rare et délicieux d'où nous pouvons établir des comparaisons quantitatives entre des systèmes extrêmement disparates, " poursuit le professeur Matteo Baggioli de l'Universidad Autónoma de Madrid. " Les liquides sont décrits par hydrodynamique, ce qui nous laisse avec de nombreux problèmes ouverts qui sont actuellement à la pointe de la recherche en physique. Notre résultat montre la puissance de la physique pour traduire des principes généraux en prédictions spécifiques sur des propriétés complexes telles que l'écoulement de liquide dans des types de matière exotiques comme le plasma quark-gluon. »

La compréhension du plasma quark-gluon et de son écoulement est actuellement à la pointe de la physique des hautes énergies. Les forces fortes entre quarks et gluons sont décrites par la chromodynamique quantique, l'une des théories physiques les plus complètes qui existent. Cependant, alors que la chromodynamique quantique fournit une théorie de la force nucléaire forte, il est très difficile de résoudre et de comprendre les propriétés du plasma de quarks et de gluons en utilisant cela seul.

"Il est concevable que le résultat actuel puisse nous fournir une meilleure compréhension du plasma quark-gluon, " a ajouté le professeur Vadim Brazhkin de l'Académie des sciences de Russie. " La raison en est que la viscosité dans les liquides à leur minimum correspond à un régime très particulier de la dynamique des liquides que nous n'avons compris que récemment. La similitude avec le QGP suggère que les particules de ce système exotique se déplacent de la même manière que dans l'eau du robinet."