Les physiciens ont créé trois formes différentes de taches de plasma de quarks et de gluons à l'aide du collisionneur d'ions lourds relativistes du Brookhaven National Laboratory. Ce plasma est un type de matière exotique qui a rempli l'univers dans les premières millisecondes après le Big Bang.
(Image: © Javier Orjuela Koop)
Pendant la première fraction de seconde après le Big Bang, l'univers n'était rien d'autre qu'une "soupe" extrêmement chaude de quarks et de gluons - des particules subatomiques qui deviendraient les éléments constitutifs des protons et des neutrons. Aujourd'hui, 13,8 milliards d'années plus tard, les scientifiques ont recréé cette soupe primordiale dans un laboratoire.
À l'aide du collisionneur d'ions lourds relativiste du Brookhaven National Laboratory à Upton, New York, les physiciens ont généré de minuscules gouttes de ce plasma de quarks et de gluons en brisant différentes combinaisons de protons et de neutrons. Au cours de ces accidents, les quarks et les gluons qui constituaient les protons et les neutrons se sont libérés et se sont comportés comme un liquide, ont découvert les chercheurs.
Selon la combinaison de particules que les chercheurs ont brisée, les minuscules globules de plasma liquide ressemblaient à trois formes géométriques distinctes: cercles, ellipses ou triangles. [Images: Retour au Big Bang et au début de l'univers]
"Notre résultat expérimental nous a rapprochés beaucoup plus de la question de savoir quelle est la plus petite quantité de matière de l'univers primitif qui puisse exister", a déclaré Jamie Nagle, physicien à l'Université du Colorado Boulder qui a participé à l'étude, dans un communiqué.
Les plasmas de quark-gluon ont été créés pour la première fois à Brookhaven en 2000, lorsque les chercheurs ont brisé ensemble les noyaux des atomes d'or. Ensuite, les scientifiques du Grand collisionneur de hadrons de Genève ont défié les attentes lorsqu'ils ont créé le plasma en brisant deux protons ensemble. "C'était surprenant car la plupart des scientifiques supposaient que les protons isolés ne pouvaient pas fournir suffisamment d'énergie pour produire quoi que ce soit qui puisse couler comme un fluide", ont déclaré des responsables de UC Boulder dans le communiqué.
Nagle et ses collègues ont décidé de tester les propriétés fluides de cet état exotique de la matière en créant de minuscules globes. Si le plasma se comporte vraiment comme un liquide, les petits globes devraient pouvoir garder leur forme, ont prédit les chercheurs.
"Imaginez que vous avez deux gouttelettes qui se développent dans le vide", a déclaré Nagle. "Si les deux gouttelettes sont vraiment proches l'une de l'autre, alors au fur et à mesure qu'elles se dilatent, elles se croisent et se poussent l'une contre l'autre, et c'est ce qui crée ce modèle."
"En d'autres termes, si vous jetez deux pierres dans un étang à proximité l'une de l'autre, les ondulations de ces impacts se déverseront l'une dans l'autre, formant un motif qui ressemble à une ellipse", ont déclaré des responsables de l'UC Boulder. "La même chose pourrait être vraie si vous brisez une paire proton-neutron, appelée deutéron, en quelque chose de plus grand ... De même, un trio proton-proton-neutron, également connu sous le nom d'atome d'hélium-3, pourrait se développer en quelque chose de semblable à un triangle. "
En enfonçant ces différentes combinaisons de protons et de neutrons dans des atomes d'or à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, les chercheurs ont pu faire exactement ce qu'ils espéraient: créer des taches elliptiques et triangulaires de plasma quark-gluon. Lorsque les scientifiques ont brisé un seul proton dans l'atome d'or, le résultat a été une goutte circulaire de la soupe primordiale.
Ces gouttelettes à courte durée de vie de plasma de quarks et de gluons ont atteint des températures de billions de degrés Celsius. Les chercheurs pensent que l'étude de ce type de matière "pourrait aider les théoriciens à mieux comprendre comment le plasma original de quark-gluon s'est refroidi pendant des millisecondes, donnant naissance aux premiers atomes existants", ont déclaré des responsables d'UC Boulder.
Les résultats de cette étude ont été publiés le 10 décembre dans la revue Nature Physics.
