Des physiciens de la collaboration PHENIX ont créé des gouttelettes d’un état liquide de la matière appelé plasma quark-gluon. Ces gouttelettes ont trois formes et tailles distinctes : des cercles, des ellipses et des triangles.
Visualisation d’une goutte de plasma quark-gluon en expansion. Crédit image : Javier Orjuela Koop, Université du Colorado, Boulder.
Les scientifiques pensent que le plasma quark-gluon a rempli l’Univers entier pendant les premières microsecondes après le Big Bang, lorsque l’Univers était encore trop chaud pour que les particules s’assemblent pour former des atomes.
L’équipe PHENIX a utilisé le collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) du Brookhaven National Laboratory pour recréer cette matière.
Dans une série de tests, les physiciens ont écrasé des paquets de petits projectiles de différentes combinaisons (protons simples, deutérons à deux particules et noyaux d’hélium 3 à trois particules) sur des noyaux d’or beaucoup plus gros.
“Le RHIC est le seul accélérateur au monde où nous pouvons réaliser une expérience aussi étroitement contrôlée, en faisant entrer en collision des particules à un, deux et trois composants avec le même noyau plus gros, l’or, le tout à la même énergie”, a déclaré le professeur Jamie Nagle, membre de l’équipe PHENIX, chercheur à l’Université du Colorado, Boulder.
Les scientifiques ont découvert qu’en contrôlant soigneusement les conditions, ils pouvaient générer des gouttelettes de plasma quark-gluon qui se dilataient pour former trois motifs géométriques différents.
Si les collisions entre de petits projectiles – protons (p), deutérons (d) et noyaux d’hélium 3 (3He) – et des noyaux d’or (Au) créent de minuscules points chauds de plasma quark-gluon, la configuration des particules captées par le détecteur devrait conserver une certaine “mémoire” de la forme initiale de chaque projectile. Les mesures de l’expérience PHENIX correspondent à ces prédictions avec des corrélations très fortes entre la géométrie initiale et les modèles de flux finaux. Crédit image : Javier Orjuela Koop, Université du Colorado, Boulder.
“Imaginez que vous avez deux gouttelettes qui se dilatent dans le vide”, a déclaré le professeur Nagle.
“Si les deux gouttelettes sont très proches l’une de l’autre, alors pendant leur expansion, elles se rencontrent et se poussent l’une contre l’autre, et c’est ce qui crée ce motif”.
“En d’autres termes, si vous jetez deux pierres dans un étang à proximité l’une de l’autre, les ondulations provenant de ces impacts vont s’écouler l’une dans l’autre, formant un modèle qui ressemble à une ellipse.”
“La même chose pourrait être vraie si vous fracassiez une paire proton-neutron, appelée deutéron, dans quelque chose de plus grand.”
“De même, un trio proton-proton-neutron, également connu sous le nom d’atome d’hélium 3, pourrait s’étendre en quelque chose qui s’apparente à un triangle.”
Et c’est exactement ce que les chercheurs de PHENIX ont trouvé : les collisions de deutons ont formé des ellipses de courte durée, les atomes d’hélium-3 ont formé des triangles et un seul proton a explosé sous la forme d’un cercle.
Les résultats, publiés dans la revue Nature Physicspourraient aider les théoriciens à mieux comprendre comment le plasma quark-gluon originel de l’Univers s’est refroidi en quelques millisecondes, donnant naissance aux premiers atomes existants.