Les sillages de quarks au CERN confirment la nature liquide du plasma de l'univers primitif

Le 6 octobre, des scientifiques du Grand collisionneur de hadrons en Suisse ont publié des preuves directes que les quarks génèrent des sillages à l'intérieur du plasma quark-gluon. Les résultats, diffusés via ScienceDaily, indiquent que la matière primordiale est suffisamment dense pour ralentir les quarks rapides et réagir collectivement comme un fluide. Cette découverte règle un débat de longue date sur l'état physique de la matière cosmique la plus ancienne, fournissant la première preuve directe qu'elle agit comme un liquide cohésif plutôt que comme un gaz diffus. Les implications pour la cosmologie sont importantes, car elles permettent aux physiciens de modéliser le comportement des premières microsecondes de l'univers avec une précision inédite.

Yen-Jie Lee, professeur de physique au MIT et membre de l'équipe du CERN, a qualifié le résultat de résolution d'un long débat. « C'était un long débat dans notre domaine, sur la question de savoir si le plasma devait répondre à un quark », a déclaré Lee. « Nous voyons maintenant que le plasma est incroyablement dense, au point de pouvoir ralentir un quark, et produit des éclaboussures et des tourbillons comme un liquide. Le plasma quark-gluon est donc vraiment une soupe primordiale. »

L'expérience a fait collisionner des ions lourds à une vitesse proche de celle de la lumière pour recréer les premiers instants de l'univers. Les températures ont atteint des milliers de milliards de degrés pendant ces microsecondes, formant du plasma quark-gluon. Cet état s'est refroidi rapidement, permettant aux quarks et aux gluons de se lier en protons, neutrons et autres particules courantes. Le processus reflète les conditions qui existaient juste après le Big Bang, lorsque l'univers était trop chaud pour former des atomes. En étudiant ces collisions, les chercheurs peuvent observer les forces fondamentales qui ont façonné la première matière du cosmos. Les données collectées lors de ces événements à haute énergie offrent une fenêtre unique sur les propriétés de la matière dans des conditions extrêmes.

En suivant les quarks individuels se déplaçant dans le plasma, l'équipe a observé des ondulations, des éclaboussures et des sillages tourbillonnants similaires à ceux d'un canard dans l'eau. Ces observations offrent la première preuve directe que le plasma quark-gluon réagit aux particules rapides comme un fluide unique. Il ne se comporte pas simplement comme une collection de particules diffusant indépendamment. Le comportement fluide est cohérent avec la matière étant un vrai liquide plutôt qu'un gaz ou un solide. Ce mouvement collectif est ce qui génère les sillages visibles détectés par l'équipe. Sans cette propriété de type liquide, les sillages ne se formeraient pas selon le motif observé.

L'étude a été dirigée par des physiciens du MIT et incluait des membres de la Collaboration CMS, un groupe mondial utilisant le détecteur Compact Muon Solenoid. Lee et ses collègues ont développé une nouvelle méthode pour détecter ces sillages de quarks. Ils prévoient de l'appliquer à davantage de données de collision pour trouver d'autres exemples et les étudier plus en détail. Cet effort collaboratif met en lumière la nature internationale de la recherche en physique des particules moderne. Le détecteur Compact Muon Solenoid est l'un des plus grands instruments jamais construits à cette fin. Sa précision est essentielle pour capturer les subtils effets des interactions de quarks dans le plasma.

La mesure de la taille, de la vitesse, de l'étendue et du temps de déclin des sillages peut révéler des propriétés clés du plasma quark-gluon. Ces données pourraient également donner des indices sur le comportement du plasma dans les premières microsecondes après le début de l'univers.

« Étudier comment les sillages de quarks rebondissent nous donnera de nouvelles idées sur les propriétés du plasma quark-gluon », a déclaré Lee. « Avec cette expérience, nous prenons une photo instantanée de cette soupe de quarks primordiale. »

Cette découverte s'inscrit dans une semaine chargée pour la physique des particules. Le 7 octobre, des physiciens de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont signalé un comportement supraconducteur inhabituel dans le ditellurure d'uranium. Des paires d'électrons ont formé des motifs ondulants appelés ondes de densité de paires. Publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences, la recherche suggère que ces motifs persistent après la disparition de la supraconductivité ordinaire. La découverte remet en question les modèles existants sur le fonctionnement de la supraconductivité dans les matériaux complexes. Elle ouvre de nouvelles voies pour comprendre les états quantiques de la matière. Les résultats ont été détaillés dans un article qui a déjà suscité des discussions parmi les physiciens de la matière condensée.

Eduardo Fradkin, professeur de physique à l'École d'ingénierie Grainger de l'Illinois et co-directeur du projet, a décrit la découverte comme significative. « Les ondes de densité de paires sont le sourire du Chat de Cheshire de la supraconductivité », a déclaré Fradkin. « Elles sont le vestige qui reste une fois que la phase elle-même a disparu. Dans les supraconducteurs conventionnels, les paires de Cooper se forment lorsque la transition de phase complète a lieu, mais, dans ce système, leur observation dans les ondes de densité de paires au-dessus du point de transition montre qu'elles se forment auparavant dans un état différent. »

Le 4 octobre, des chercheurs de l'Université de Melbourne ont publié les résultats d'une expérience australienne de sylviculture de 30 ans. L'étude, diffusée via ScienceDaily, a révélé que les forêts de eucalyptus à écorce d'épaisseur considérablement éclaircies produisaient des arbres anormalement grands. Ces forêts ont également récupéré assez de carbone pour égaler ou dépasser les zones intactes. Cela suggère qu'un éclaircissement soigneux peut soutenir à la fois la production de bois, l'habitat de la faune et le stockage du carbone. Les données à long terme offrent un regard rare sur l'évolution des forêts gérées sur plusieurs décennies. Elles fournissent des conseils pratiques pour les pratiques sylvicoles durables dans des écosystèmes similaires dans le monde.

La découverte des sillages de quarks au CERN est importante pour les modèles de l'univers primitif. Confirmer la nature de type liquide du plasma quark-gluon offre un instantané tangible des conditions quelques instants après le Big Bang. La nouvelle méthode de détection permet une analyse plus poussée du comportement de cette matière primordiale, affinant potentiellement les modèles de l'évolution la plus ancienne de l'univers.