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La «soupe» primordiale révèle les secrets de l'Univers initial

À l'aide des plus puissants accélérateurs de particules au monde, des chercheurs recréent aujourd'hui le plasma de quarks et de gluons qui constituait l'Univers peu après le Big Bang. Ces expériences peuvent apporter des informations sur cet état exotique de la matière, mais aussi sur les lois de base de la physique.
La «soupe» primordiale révèle les secrets de l'Univers initial
La matière ordinaire est constituée d'atomes, dont le noyau est fait de protons et de neutrons. Ces particules qui constituent le noyau de l'atome sont à leur tour faites de quarks, «collés» par des particules nommées des gluons. Cependant, peu après le Big Bang, la température était trop élevée pour que les quarks restent associés. L'Univers n'était alors qu'un mélange dense de quarks et de gluons, un plasma de quarks et de gluons.

Pour recréer des conditions similaires à celles qui existaient quelques millionièmes de seconde après le Big Bang, le Grand collisionneur de hadrons (LHC, Large Hadron Collider) en Europe et le RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) aux États-Unis servent à conduire des expériences de collisions frontales d'ions lourds. En analysant les débris de chaque collision, des chercheurs financés par l'UE ont obtenu des informations sur le plasma de quarks et de gluons.

Dans leur état final, les débris ont révélé les propriétés de transport du plasma de quarks et de gluons, ainsi que les premières étapes des collisions d'ions lourds. Les chercheurs ont déterminé quelles sont les propriétés de l'état initial qui conduisent à des aspects particuliers des particules observées. En déduisant la géométrie initiale à partir des produits anisotropes finaux, ils ont pu définir la viscosité transversale et la viscosité de compression du plasma de quarks et de gluons.

Les effets de la viscosité de compression interfèrent avec ceux de la viscosité transversale, il est donc difficile de déterminer l'une sans connaître l'autre. Les travaux du projet HICATLHC (Phenomenology of heavy ion collisions at RHIC and the LHC) ont mis en évidence des différences décisives, utilisables afin de calculer la valeur de ces viscosités, pour un liquide quasi-parfait comme le plasma de quarks et de gluons.

Les chercheurs supposaient que le plasma de quarks et de gluons se comportait plutôt comme un gaz dont les constituants n'interagissent que faiblement. Le fait qu'il se comporte davantage comme un liquide suggère au contraire que ses composants interagissent plus fortement. Les chercheurs ont étudié ce point en simulant des collisions d'ions de plus en plus petits, et les résultats expliquent la création du plasma de quarks et de gluons.

L'intérêt des collisions d'ions lourds a toujours été de créer un système assez gros pour approcher l'équilibre thermodynamique. Ce n'est que dans ces conditions que les chercheurs pourront étudier les propriétés de transport de la matière nucléaire de base. Ils ont aussi conduit des simulations hydrodynamiques de collisions de noyaux entre eux et avec des protons, pour estimer la taille minimale d'une goutte de plasma de quarks et de gluons.

Les récentes modifications du LHC et du RHIC ont élargi la gamme de particules pour les collisions, augmenté la plage d'énergie de ces collisions, et amélioré la précision des détecteurs, ce qui devrait contribuer à analyser plus en détails le plasma de quarks et de gluons. Comme le laissent à penser les résultats du projet HICATLHC, les résultats surprendront certainement les scientifiques.

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Mots-clés

Univers primordial, plasma de quarks et de gluons, LHC, RHIC, collisions d'ions lourds, HICATLHC
Numéro d'enregistrement: 182949 / Dernière mise à jour le: 2016-06-29
Domaine: Technologies industrielles