Des physiciens recréent la matière primitive de l’Univers

plasma primitif viscosité liquide
| CERN

À quoi ressemblaient les premiers instants de l’Univers ? C’est un mystère que les scientifiques tentent de percer depuis des décennies. La collaboration ALICE du CERN est spécialiste du sujet : ce détecteur (A Large Ion Collider Experiment) a été conçu pour étudier le plasma quarks-gluons, une phase de matière qui aurait existé juste après le Big Bang. Et l’équipe est récemment parvenue à recréer et à caractériser cette toute première matière hypothétique, grâce au Grand collisionneur de hadrons (LHC).

Quelles sont les propriétés de la matière aux densités et températures extrêmes des prémices de l’Univers ? Les scientifiques de la collaboration ALICE disposent enfin de quelques éléments de réponse. La matière obtenue n’a persisté qu’une fraction de seconde, mais suffisamment longtemps pour que les scientifiques puissent en étudier les caractéristiques pour la toute première fois.

Il s’avère que ce plasma est de type liquide et cette découverte pourrait permettre de mieux comprendre comment l’Univers primitif a évolué lors de la première microseconde qui a suivi le Big Bang. Pour reproduire cette matière primitive, l’équipe a initié des collisions d’ions lourds (de plomb) à haute énergie (5 TeV) au sein du LHC.

Un plasma qui s’écoule comme de l’eau

Pour rappel, les quarks sont des particules élémentaires qui s’associent pour former des protons et des neutrons (entre autres). Les quarks sont liés entre eux via une interaction forte, médiée par des particules appelées gluons. Les collisions qui se produisent dans le LHC génèrent des températures plus de 100 000 fois supérieures à celles du centre du Soleil. Dans ces conditions extrêmes, les protons et les neutrons se décomposent, libérant au passage les quarks et les gluons qui les constituent : on obtient ainsi le fameux plasma quarks-gluons.

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L’objectif de la collaboration ALICE est d’étudier ce plasma pour comprendre comment il a pu donner naissance aux particules qui composent aujourd’hui la matière de notre univers. Pour cela, un gigantesque détecteur a été installé à 56 mètres sous terre pour réceptionner les faisceaux de particules du LHC. Des particules de plomb, lancées à une vitesse proche de celle de la lumière, ont donc permis de recréer la toute première matière apparue après le Big Bang. L’expérience avait déjà été accomplie avec succès par le passé, mais cette fois-ci, les scientifiques ont eu le temps de sonder les caractéristiques du plasma en détail.

Le plasma quarks-gluons présentait des caractéristiques typiques d’un liquide parfait, n’affichant quasiment aucune résistance à l’écoulement. L’écoulement d’un fluide est déterminé par le rapport entre sa viscosité et sa densité. Alors que la viscosité et la densité du plasma quarks-gluons sont d’environ 16 ordres de grandeur supérieures à celles de l’eau, les chercheurs ont découvert que le rapport entre la viscosité et la densité des deux types de fluides était le même. En d’autres termes, le tout premier état de la matière s’écoulerait de la même manière que l’eau !

Une similitude surprenante

Peu après le Big Bang, l’Univers primitif était constitué d’une « soupe » dense et chaude de quarks et de gluons. Quelques microsecondes plus tard, ce mélange s’est refroidi pour former les premiers blocs de construction de la matière qui constitue l’ensemble de l’univers. Ainsi, la matière qui nous entoure aujourd’hui a en théorie des propriétés très différentes de celles de cette soupe primitive. Les fluides tels que l’eau reposent par exemple sur des assemblages d’atomes et molécules beaucoup plus gros que les particules primitives, maintenus ensemble par des forces beaucoup plus faibles. Mais ces récentes expériences montrent que malgré ces différences, la viscosité cinématique — soit la capacité d’un fluide à s’épancher — du plasma primitif est très similaire à celles des liquides ordinaires.

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La viscosité d’un liquide peut varier sensiblement en fonction de la température. Il existe toutefois une limite inférieure à cette viscosité, quasiment universelle, qui dépend de constantes physiques fondamentales (telles que la constante de Planck). Or, les résultats de l’étude suggèrent que la viscosité du plasma quarks-gluons est très proche de cette limite inférieure universelle de viscosité. « Cette étude constitue un exemple assez rare et réjouissant de la possibilité d’établir des comparaisons quantitatives entre des systèmes extrêmement disparates », souligne dans un communiqué le professeur Matteo Baggioli, l’un des membres de l’équipe.

Ces résultats sont par ailleurs une nouvelle illustration de la puissance de la physique, qui permet de traduire des principes généraux en prédictions spécifiques de propriétés complexes, telles que l’écoulement liquide dans des types de matière exotiques comme le plasma quarks-gluons, ajoute le professeur.

La chromodynamique quantique est une théorie qui permet de décrire les puissantes forces d’interactions entre les quarks et les gluons (et donc la cohésion du noyau atomique) ; mais elle ne suffit pas à comprendre pleinement les propriétés du plasma primitif. Cette étonnante similitude avec la dynamique des fluides est donc un nouveau pas en avant dans ce domaine de recherche. Les scientifiques espèrent découvrir encore plus de détails sur ce plasma à mesure que l’accélérateur du CERN sera mis à niveau. D’autres études permettront également de mieux comprendre comment les quarks et les gluons s’organisent en protons et neutrons, une étape qui a peut-être conditionné l’expansion extrêmement rapide (inflation cosmique) de l’Univers.

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Source : Physics Letters B, Collaboration ALICE

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