Les scientifiques ont rapporté de nouveaux indices pour résoudre une énigme cosmique :comment le plasma quark-gluon, le fluide parfait de la nature, s'est transformé en matière.

Quelques millionièmes de seconde après le Big Bang, l'univers primitif a pris un nouvel état étrange :une soupe subatomique appelée plasma quark-gluon.

Et il y a tout juste 15 ans, une équipe internationale comprenant des chercheurs du groupe Collisions nucléaires relativistes (RNC) du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) a découvert que ce plasma quark-gluon est un fluide parfait - dans lequel les quarks et les gluons, les éléments constitutifs des protons et des neutrons, sont si fortement couplés qu'ils s'écoulent presque sans frottement.

Les scientifiques ont postulé que des jets de particules hautement énergétiques traversent le plasma de quarks et de gluons - une gouttelette de la taille du noyau d'un atome - à des vitesses plus rapides que la vitesse du son, et que comme un jet rapide, émettent un bang supersonique appelé onde de Mach. Pour étudier les propriétés de ces particules de jet, en 2014, une équipe dirigée par des scientifiques du Berkeley Lab a lancé une technique d'imagerie par rayons X atomique appelée tomographie par jet. Les résultats de ces études fondamentales ont révélé que ces jets se dispersent et perdent de l'énergie lorsqu'ils se propagent à travers le plasma quark-gluon.

Mais où a commencé le voyage des particules de jet dans le plasma quark-gluon ? Un signal d'onde de Mach plus petit appelé sillage de diffusion, les scientifiques ont prédit, vous dirait où chercher. Mais alors que la perte d'énergie était facile à observer, l'onde de Mach et le sillage de diffusion qui l'accompagne sont restés insaisissables.

Maintenant, dans une étude publiée récemment dans la revue Lettres d'examen physique , les scientifiques du Berkeley Lab rapportent de nouveaux résultats de simulations de modèles montrant qu'une autre technique qu'ils ont inventée, appelée tomographie à jet 2D, peut aider les chercheurs à localiser le signal fantomatique du sillage de diffusion.

"Son signal est si petit, c'est comme chercher une aiguille dans une botte de foin de 10, 000 particules. Pour la première fois, nos simulations montrent que l'on peut utiliser la tomographie par jet 2D pour capter les minuscules signaux du sillage de diffusion dans le plasma quark-gluon, " a déclaré le responsable de l'étude Xin-Nian Wang, un scientifique principal de la division des sciences nucléaires du Berkeley Lab qui faisait partie de l'équipe internationale qui a inventé la technique de tomographie par jet 2D.

Pour trouver cette aiguille supersonique dans la botte de foin quark-gluon, l'équipe du Berkeley Lab a analysé des centaines de milliers d'événements de collision plomb-noyau simulés au Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN, et les événements de collision de noyaux d'or au collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) au laboratoire national de Brookhaven. Certaines des simulations informatiques de la présente étude ont été réalisées dans l'installation d'utilisateurs de superordinateurs NERSC de Berkeley Lab.

Wang dit que leur approche unique "vous aidera à vous débarrasser de tout ce foin dans votre pile, vous aidera à vous concentrer sur cette aiguille". Le signal supersonique des particules du jet a une forme unique qui ressemble à un cône, avec un sillage de diffusion derrière, comme des ondulations d'eau dans le sillage d'un bateau rapide. Les scientifiques ont recherché des preuves de ce "wakelet" supersonique car il vous indique qu'il y a un épuisement des particules. Une fois le sillage de diffusion localisé dans le plasma quark-gluon, vous pouvez distinguer son signal des autres particules en arrière-plan.

Leurs travaux aideront également les expérimentateurs du LHC et du RHIC à comprendre quels signaux rechercher dans leur quête pour comprendre comment le plasma de quarks et de gluons, le fluide parfait de la nature, s'est transformé en matière. « De quoi sommes-nous faits ? À quoi ressemblait l'univers infantile dans les quelques microsecondes qui ont suivi le Big Bang ? C'est toujours un travail en cours, mais nos simulations du sillage de diffusion tant recherché nous rapprochent de la réponse à ces questions, " il a dit.