Plasma quarks-gluons

Plasma quarks-gluons est un état extrême de la matière dans lequel les éléments constitutifs des protons et des neutrons — quarks et gluons - ne sont plus enfermés dans des particules individuelles mais se déplacent librement dans une soupe chaude et dense. On pense qu'il a rempli l'univers entier pendant les premiers millionièmes de seconde après le Big Bang, et il a été brièvement recréé dans les collisionneurs de particules les plus puissants du monde.

Briser le lien le plus fort

Normalement, les quarks sont piégés en permanence dans les protons, les neutrons et d’autres particules par la forte force nucléaire portée par les gluons. Ce recouvrement est appelé confinement: la force entre les quarks devient plus forte à mesure que vous essayez de les séparer, de sorte qu'ils ne sont jamais vus isolément. Mais à des températures extrêmes – des milliards de degrés, bien plus chaudes que le centre du Soleil – ou à des densités extrêmes, l’emprise du confinement se brise. Les quarks et les gluons se « déconfinent » et se déplacent librement. Cette transition est l’une des prédictions centrales de la théorie de la force forte, la chromodynamique quantique (QCD).

Recréer l'univers primitif

Pour produire un plasma de quarks et de gluons, les physiciens écrasent des noyaux atomiques lourds, tels que l'or ou le plomb, ensemble à une vitesse proche de celle de la lumière dans des installations telles que le collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) et le grand collisionneur de hadrons (LHC). La collision concentre une énorme énergie dans un volume minuscule, faisant brièvement fondre les noyaux en plasma avant qu'ils ne refroidissent et ne se recongèlent en particules ordinaires en moins de 10⁻²² secondes. Les détecteurs reconstituent le jet de particules qui émerge pour étudier à quoi ressemblait le plasma.

Un liquide parfait

L'une des grandes surprises a été que le plasma quark-gluon ne se comporte pas comme un gaz mince, comme beaucoup s'y attendaient, mais comme un gaz presque liquide parfait — il coule avec presque aucune viscosité. Cette découverte a relié la physique nucléaire à des domaines inattendus, notamment la théorie des cordes et l’étude du comportement des systèmes en interaction forte. Sonder les propriétés du plasma – comment il arrête les particules rapides, comment il s'écoule – reste un programme expérimental majeur.

Une idée fausse courante

Le plasma quarks-gluons n'est pas simplement une « matière ordinaire très chaude ». Il s’agit d’une phase véritablement différente dans laquelle les particules habituelles de la physique nucléaire se sont dissoutes, tout comme la fonte de la glace dans l’eau est un changement de phase – sauf qu’ici, ce sont les protons et les neutrons eux-mêmes qui fondent dans leurs constituants.

Chiffres clés : plus chaud que n’importe quelle étoile

La recréation du plasma quarks-gluons nécessite des températures presque inimaginables. Les collisions d'ions lourds au RHIC et au LHC atteignent brièvement

T ≈ 4 × 10¹² K (environ 250 000 × le noyau du Soleil)

bien au-dessus du seuil de déconfinement d’environ 2 × 10¹² K prédit par la théorie de la force forte. La plus grande surprise a été le du plasma. flux: plutôt que de se comporter comme un gaz, il a un rapport viscosité/densité d'entropie si faible qu'il fait partie des liquides les plus parfaits jamais observés, proche d'une limite quantique fondamentale. Cet écoulement quasiment sans friction, reconstruit à partir de la façon dont les particules sortent de la collision, est désormais l'une des signatures expérimentales déterminantes du plasma quark-gluon.