Les clés
- Des physiciens du MIT et de l’UCSB ont calculé comment un quark lourd relativiste pourrait modifier sa quantité de mouvement en traversant un gaz de quarks et de gluons faiblement interactifs.
- Le calcul prédit une distribution similaire à une cloche pour les petits chocs, mais des changements importants plus fréquents et asymétriques.
- La comparaison avec des expériences est proposée comme une piste possible pour étudier la structure microscopique du plasma ; la source ne rapporte pas de vérification expérimentale de la prédiction.
Un calcul pour étudier le plasma primordial
Pendant la première fraction de seconde après le Big Bang, la matière a existé sous la forme d’un plasma de quarks et de gluons à un billion de degrés. Ce mélange de particules a duré quelques microsecondes, avant que ses composants ne s’unissent pour former des protons et des neutrons plus stables. Pour étudier ce fluide primordial, les scientifiques recréent des plasmas de quarks et de gluons dans des accélérateurs de particules : les collisions d’ions produisent des gouttelettes d’une taille approximativement égale à celle d’un noyau atomique, qui n’existent que quelques dizaines de septillionièmes de seconde. MIT
Une stratégie consiste à suivre des particules lourdes qui ne font pas partie du plasma, mais le traversent. Leur mouvement peut révéler certains aspects de la structure microscopique du fluide. Toutefois, transposer sans changement la description classique du mouvement brownien à ces conditions extrêmes pose un problème : à des vitesses proches de celle de la lumière, la relation attendue entre la traînée et les fluctuations du fluide ne rend pas entièrement compte des interactions.
Des physiciens du MIT et de l’Université de Californie à Santa Barbara (UCSB) ont élaboré une théorie qui prédit comment un fluide peut pousser et freiner une particule relativiste. Selon l’article du MIT, l’équipe propose que cette théorie puisse s’appliquer aux quarks lourds qui traversent le plasma de quarks et de gluons. Ses prédictions pourraient être comparées à des expériences afin de caractériser la structure microscopique du plasma ; l’article ne rapporte pas qu’une telle vérification ait déjà été effectuée. MIT
Des chocs browniens aux changements relativistes
En 1905, Albert Einstein a décrit comment le mouvement irrégulier de particules en suspension dans un fluide peut fournir des informations sur les forces microscopiques de ce milieu. Selon cette explication, le mouvement résulte d’un équilibre entre la traînée, qui tend à ralentir la particule, et les poussées aléatoires du fluide. La probabilité de ces poussées est représentée par une courbe en cloche : celles d’intensité moyenne sont les plus probables, tandis que les extrêmes le sont moins.
Dans cette nouvelle étude, Jean Du Plessis, du Centre de physique théorique du MIT, et Bruno Scheihing-Hitschfeld, de l’Institut Kavli de physique théorique de l’UCSB, ont calculé les forces qu’un quark lourd subirait en se déplaçant à des vitesses relativistes dans un fluide. Pour ce faire, ils ont effectué des calculs portant sur la force nucléaire forte, qui maintient les quarks et les gluons liés. Ils ont choisi comme point de départ un gaz de quarks et de gluons faiblement interactifs, car les interactions faibles rendaient les calculs réalisables.
À partir de ce scénario, ils ont calculé dans quelle mesure la quantité de mouvement du quark pourrait changer et ont obtenu une distribution de probabilité pour ces changements. Pour les petits chocs, la courbe conserve une forme similaire à une cloche. En revanche, ses extrémités sont inégales : les grands chocs sont plus fréquents que ne le laisserait prévoir la courbe brownienne et n’ont pas la même probabilité dans les directions opposées. En particulier, un choc important qui freine le quark davantage que ne le prévoit la traînée est plus probable qu’un choc de taille équivalente qui le fait avancer plus vite que prévu. MIT
| Aspect | Image brownienne habituelle | Prédiction pour les quarks lourds relativistes |
|---|---|---|
| Petits changements | Distribution en forme de cloche | Forme similaire à une cloche |
| Grands chocs | Très rares aux extrémités | Plus fréquents que ne le prédit la courbe en cloche |
| Direction des chocs extrêmes | La distribution habituelle ne décrit pas l’asymétrie signalée | Le choc qui freine davantage le quark est plus probable qu’un choc équivalent qui l’accélère par rapport à ce qui est attendu |
Le tableau résume le calcul théorique présenté par le MIT ; il ne représente pas une distribution mesurée expérimentalement. MIT
Une structure susceptible d’offrir de nouvelles pistes
L’équipe a répété le calcul pour des plasmas composés de particules différentes et a trouvé la même courbe inclinée, quelle que soit la composition considérée. Elle a également identifié une structure similaire dans un calcul antérieur d’un plasma fortement couplé, malgré les différences de physique microscopique. Du Plessis a décrit ce motif comme apparemment universel et a indiqué que les travaux le formalisent. La source présente ces résultats comme des calculs théoriques, et non comme une corroboration expérimentale indépendante. MIT
L’utilité éventuelle du résultat dépend du comportement des quarks lourds dans les expériences. Si la fréquence des grands changements dépend de la nature microscopique du plasma, leur mesure pourrait apporter des informations supplémentaires sur le milieu. Les auteurs proposent de comparer leurs prédictions à des expériences afin de caractériser le plasma et d’étudier le type de fluide qui existait aux premiers instants de l’Univers. Cette comparaison est présentée comme une possibilité future, et non comme un résultat déjà obtenu.
Du Plessis estime également que le plasma primordial a pu être plus semblable à un liquide qu’à un gaz et interagir plus fortement que ne le laisserait penser le modèle brownien. L’article attribue cette interprétation au chercheur ; il ne la présente pas comme une observation directe du plasma primordial. MIT
Recherche et contexte institutionnel
Le MIT indique que Du Plessis et Scheihing-Hitschfeld ont rapporté leurs résultats ce jour-là dans Physical Review Letters. La recherche a bénéficié d’un soutien partiel du Bureau de physique nucléaire du Bureau des sciences du Département de l’Énergie des États-Unis, de la Fondation nationale pour la science des États-Unis (NSF) et de la Fondation Simons. MIT
À titre de contexte institutionnel, la NSF indique qu’elle soutient la recherche fondamentale et appliquée principalement au moyen de subventions, et qu’elle appuie également les collaborations et les infrastructures scientifiques. Ces informations décrivent le rôle général de l’agence, mais ne confirment pas de manière indépendante les résultats de l’étude. NSF : soutien à la recherche
La référence de la NSF consacrée à la recherche sur les matériaux décrit des programmes axés sur la compréhension des matériaux, de leurs propriétés et de leurs applications possibles. Elle ne fournit pas d’informations précises sur le plasma de quarks et de gluons et ne valide pas le calcul présenté par le MIT. NSF : recherche sur les matériaux
Ce que nous savons et ses limites
Le résultat décrit est théorique et repose sur un scénario de quarks et de gluons faiblement interactifs, choisi pour rendre les calculs réalisables. L’application au plasma de quarks et de gluons et la comparaison avec des expériences sont présentées comme des possibilités, et non comme des résultats déjà obtenus. L’universalité apparente repose sur des calculs portant sur différents plasmas et sur la comparaison avec un calcul antérieur, et non sur une corroboration expérimentale indépendante. Les références de la NSF apportent un contexte institutionnel et ne vérifient pas la découverte.
Suivez les preuves
Les sources originales pour explorer cette explication et ses limites.
- Études et résultats : comment la NSF soutient la recherche NSF
-
Comment la recherche sur les matériaux s’organise et quels sont ses résultats
NSF
Référence institutionnelle de contexte. Ne constitue pas une confirmation indépendante des résultats de la source principale. - Déterminer la structure du plasma de quarks et de gluons, le premier fluide de l’Univers MIT