Le plasma quark-gluon est un état de la matière dense dont les quarks et les gluons sont les constituants. Peu après le Big Bang, la matière se trouvait justement dans cette phase. Lors de l’expansion et du refroidissement de l’Univers, le plasma de quarks et de gluons s’est transformé en hadrons (neutrons et protons), qui ont ensuite formé les noyaux atomiques. Bien que la viscosité et la densité du plasma quark-gluon soient toutes deux supérieures d’environ 16 ordres de grandeur à celles de l’eau, une équipe internationale de physiciens a découvert que le rapport entre la viscosité et la densité des deux types de fluides est le même.
Visualisation d’une goutte de plasma quark-gluon en expansion. Crédit image : Javier Orjuela Koop, Université du Colorado, Boulder.
“Cette étude fournit un exemple assez rare et délicieux où nous pouvons établir des comparaisons quantitatives entre des systèmes extrêmement disparates”, a déclaré le professeur Matteo Baggioli, chercheur à l’Universidad Autónoma de Madrid.
“Les liquides sont décrits par l’hydrodynamique, ce qui nous laisse avec de nombreux problèmes ouverts qui sont actuellement à la pointe de la recherche en physique.”
“Notre résultat montre le pouvoir de la physique à traduire des principes généraux en prédictions spécifiques sur des propriétés complexes telles que l’écoulement liquide dans des types de matière exotique comme le plasma quark-gluon.”
Depuis le début des années 2000, les physiciens ont été en mesure de recréer expérimentalement le plasma quark-gluon à l’aide de grands collisionneurs de particules, ce qui a fourni de nouvelles informations sur cet état exotique de la matière.
On pense que la matière ordinaire a des propriétés très différentes de celles du plasma quark-gluon trouvé aux débuts de l’Univers. Par exemple, les fluides comme l’eau sont régis par le comportement des atomes et des molécules qui sont beaucoup plus grands que les particules trouvées dans le plasma quark-gluon, et sont maintenus ensemble par des forces plus faibles.
Cependant, le professeur Baggioli et ses collègues ont constaté que, malgré ces différences, le rapport entre la viscosité et la densité, connu sous le nom de viscosité cinématique, est proche dans le plasma de quarks et de gluons et dans les liquides ordinaires.
Ce rapport est important car l’écoulement du fluide ne dépend pas uniquement de la viscosité mais est régi par l’équation de Navier-Stokes qui contient la densité et la viscosité.
Par conséquent, si ce rapport est le même pour deux fluides différents, ces deux fluides s’écouleront de la même manière même s’ils ont des viscosités et des densités très différentes.
Il est important de noter que ce n’est pas n’importe quelle viscosité liquide qui coïncide avec la viscosité du plasma quark-gluon.
En effet, la viscosité des liquides peut varier de plusieurs ordres de grandeur en fonction de la température.
Cependant, il existe un point très particulier où la viscosité liquide a une limite inférieure quasi universelle.
Des recherches antérieures ont montré que dans cette limite, la viscosité des liquides est régie par des constantes physiques fondamentales telles que la constante de Planck et la masse des nucléons.
Ce sont ces constantes de la nature qui décident en fin de compte si un proton est une particule stable, et qui régissent des processus tels que la synthèse nucléaire dans les étoiles et la création d’éléments biochimiques essentiels à la vie.
L’étude a révélé que c’est cette limite inférieure universelle de la viscosité des fluides ordinaires comme l’eau qui s’avère être proche de la viscosité du plasma quark-gluon.
“Nous ne comprenons pas encore complètement l’origine de cette similitude frappante, mais nous pensons qu’elle pourrait être liée aux constantes physiques fondamentales qui fixent à la fois la limite inférieure universelle de viscosité des liquides ordinaires et du plasma quark-gluon”, a déclaré le professeur Kostya Trachenko, chercheur à l’université Queen Mary de Londres.
“Il est concevable que le résultat actuel nous permette de mieux comprendre le plasma quark-gluon”, a déclaré le professeur Vadim Brazhkin, chercheur à l’Université autonome de Madrid.
“La raison est que la viscosité des liquides à leur minimum correspond à un régime très particulier de la dynamique des liquides que nous n’avons compris que récemment.”
“La similitude avec le plasma quark-gluon suggère que les particules de ce système exotique se déplacent de la même manière que dans l’eau du robinet.”
Les résultats ont été publiés aujourd’hui dans la revue SciPost Physics.
