En brisant les particules ensemble, les physiciens ont peut-être créé la plus petite gouttelette de fluide de l'univers - une perle de la taille d'un proton de soupe primordiale chaude.
Cette soupe de particules est du plasma de quarks et de gluons, le fluide qui a rempli le cosmos pendant les premières microsecondes après le Big Bang. C'est à des milliards de degrés, et avec pratiquement aucun frottement, il oscille près de la vitesse de la lumière.
"C'est le fluide le plus extrême que nous connaissons", a déclaré Jacquelyn Noronha-Hostler, physicien théoricien à l'Université Rutgers dans le New Jersey.
Les physiciens ont déjà heurté des particules pour créer cette soupe primordiale auparavant, et certaines expériences ont suggéré que certaines collisions produisent des gouttelettes aussi petites que des protons. Dans un nouvel article publié le 10 décembre dans la revue Nature Physics, des physiciens de l'expérimentation d'interaction nucléaire de haute énergie pionnière (PHENIX) ont rapporté ce qui pourrait être la preuve la plus convaincante à ce jour que ces gouttelettes peuvent être si minuscules.
"Cela nous amène vraiment à repenser notre compréhension des interactions et des conditions de ce type de flux de gouttelettes", a déclaré Jamie Nagle, physicien à l'Université du Colorado Boulder, qui a analysé les données dans les expériences les plus récentes. Les résultats pourraient aider les physiciens à mieux comprendre le plasma quark-gluon du premier univers et la nature des fluides.
"Cela signifie que nous devons réécrire nos connaissances sur ce que signifie être un fluide", a déclaré Noronha-Hostler, qui ne faisait pas partie des nouvelles expériences, à Live Science.
Les expériences ont été effectuées au collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) du Brookhaven National Laboratory à New York, où les physiciens ont créé le premier plasma de quarks et de gluons en 2005 en claquant des noyaux atomiques ensemble. Le quark est la particule fondamentale qui constitue les protons et les neutrons, qui constituent à leur tour les noyaux atomiques. Les gluons sont les particules porteuses de force qui maintiennent les quarks ensemble dans un proton ou un neutron via la force forte, l'une des forces fondamentales de la nature.
Les physiciens supposaient auparavant que les gouttelettes de plasma de quarks-gluons devaient être relativement grandes, a déclaré Noronha-Hostler. Pour qu'une gouttelette coule comme un fluide, pensa-t-on, l'objet devait être beaucoup plus gros que ses particules constitutives. Une goutte d'eau typique, par exemple, est beaucoup plus grosse que ses propres molécules d'eau. D'un autre côté, un minuscule amas de, disons, trois ou quatre molécules d'eau individuelles ne se comporterait pas comme un liquide, ont pensé les chercheurs.
Ainsi, pour faire des gouttelettes de plasma de quarks-gluons aussi gros que possible, les physiciens du RHIC ont claqué de gros noyaux atomiques tels que l'or, qui produisent des gouttelettes de taille similaire - environ 10 fois plus grosses qu'un proton. Mais les physiciens ont découvert que lorsqu'ils ont heurté de plus petites particules, ils ont détecté de manière inattendue des indices de gouttelettes de fluide de la taille d'un proton - par exemple, lors de collisions entre protons effectuées au Grand collisionneur de hadrons près de Genève.
Pour savoir si ces minuscules gouttelettes pouvaient réellement exister, les physiciens utilisant le détecteur PHENIX sur le RHIC ont tiré des protons; noyaux de deutéron, qui contiennent chacun un proton et un neutron; et des noyaux d'hélium-3 aux noyaux d'or. Si ces collisions formaient des gouttelettes fluides de plasma de quarks et de gluons, raisonnaient les scientifiques, les gouttelettes auraient des formes différentes selon ce que les noyaux d'or frappaient. Frapper un proton créerait une gouttelette ronde; un deutéron produirait une gouttelette elliptique, et l'hélium-3 ferait une gouttelette triangulaire.
Une telle gouttelette ne vivrait que 100 milliards de milliardièmes de seconde avant qu'une chaleur intense ne provoque une expansion si rapide de la gouttelette qu'elle explose dans une rafale d'autres particules.
En mesurant ces débris de particules, les chercheurs ont reconstruit la gouttelette d'origine. Ils ont recherché des formes elliptiques et triangulaires dans chacun des trois types de collisions, faisant six mesures totales. Les expériences ont duré plusieurs années, et à la fin, les chercheurs ont détecté les formes révélatrices, suggérant que les collisions ont créé des gouttelettes de la taille d'un proton.
"Avec un ensemble complet de six mesures, il est difficile d'avoir une explication différente à l'exception de l'image des gouttelettes", a déclaré Nagle à Live Science.
Bien que les résultats soient convaincants, Noronha-Hostler a déclaré qu'elle n'était pas encore complètement sûre. Les chercheurs ont encore besoin de meilleures mesures des jets qui éclatent des collisions de particules. Si les minuscules gouttelettes de fluide se sont formées, les impacts entre les noyaux d'or et les protons, les deutons ou l'heilum-3 auraient dû produire des particules à grande vitesse qui ont formé des jets, qui auraient ensuite explosé à travers les gouttelettes quark-gluon nouvellement créées. Lorsque le jet a sifflé dans le fluide, il aurait perdu de l'énergie et ralenti, comme une balle voyageant dans l'eau.
Mais jusqu'à présent, les mesures montrent que les jets n'ont pas perdu autant d'énergie que prévu. Les expériences futures, telles que la version améliorée de PHENIX qui devrait être lancée en 2023, devraient aider les physiciens à mieux comprendre ce qui se passe - et à déterminer avec certitude si de telles gouttelettes minuscules peuvent exister, a déclaré Noronha-Hostler.
