Vous ne vous arrêtez probablement pas souvent pour y penser, mais juste après la naissance de l’Univers, la matière n’était pas sous la forme que nous lui connaissons aujourd’hui.
Les scientifiques pensent qu’elle était plutôt à l’état de soupe, de “soupe de quark” pour être précis – un état également connu sous le nom de plasma quark-gluon.
Aujourd’hui, des chercheurs affirment avoir réussi à façonner en laboratoire des gouttelettes liquides ultra chaudes et ultra petites de cette soupe, ce qui pourrait nous permettre de remonter aux toutes premières microsecondes de l’existence.
Des gouttes de plasma quark-gluon en expansion ont été créées sous trois formes géométriques – cercles, ellipses et triangles – en utilisant un énorme collisionneur de particules pour faire s’entrechoquer des protons et des neutrons à des vitesses et des températures si élevées qu’ils se brisent.
L’une des principales conclusions de cette expérience est que ces minuscules gouttes de plasma quark-gluon se comportent comme des fluides, même à très petite échelle. Les scientifiques pensaient à l’origine que c’était impossible, mais ils en ont maintenant de plus en plus la preuve.
“Notre résultat expérimental nous a rapprochés de la réponse à la question de savoir quelle est la plus petite quantité de matière de l’Univers primitif qui puisse exister”, déclare l’un des membres de l’équipe, Jamie Nagle, de l’Université du Colorado à Boulder.
Qu’est-ce que le plasma quark-gluon ? Il s’agit d’un état liquide, mais qui existe à des températures torrides, où les conditions sont trop chaudes pour former des atomes. Comme son nom l’indique, il est constitué de quarks et de gluons, des particules élémentaires qui se combinent pour former les protons et les neutrons.
La température est de l’ordre de 4 trillions de degrés Celsius (ou près de 7 trillions de degrés Fahrenheit), soit environ 250 000 fois plus chaude que le noyau du Soleil.
Bien que ces particules aient fini par se refroidir suffisamment pour former la matière ordinaire qui compose notre monde actuel, les propriétés de ce plasma restent fascinantes pour les scientifiques – des propriétés qui racontent l’histoire des débuts de l’Univers et de tout ce qu’il contient.
Depuis le début du siècle, les expériences menées au collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) du Brookhaven National Laboratory à New York ont suggéré que les plasmas quark-gluon pourraient se comporter comme des fluides presque parfaits.
Les collisions atomiques (à gauche) produisant les trois formes de plasma (à droite). (PHENIX, Nature 2018)
“Si vous pouviez avoir une bouteille de ce liquide sur votre bureau, et que vous deviez la renverser pour qu’elle s’écoule autour d’un obstacle, elle le ferait avec presque aucune friction”, explique l’un des chercheurs, Paul Romatschke, de CU Boulder.
C’est ce que cette dernière expérience visait à vérifier : si les gouttelettes de soupe de quark conservaient leur forme, même dans leur plus petite taille, ce qui correspond à l’hypothèse du liquide.
Les cercles, ellipses et triangles qui en résultent constituent la preuve la plus solide à ce jour que c’est bien le cas, même lorsque seuls quelques protons entrent en collision.
Ces nouvelles recherches confirment les études précédentes menées au RHIC sur les plasmas de quarks et de gluons. Les laboratoires spécialisés produisent ces plasmas depuis plusieurs années dans diverses conditions, mais ils apparaissent et disparaissent incroyablement vite et peuvent être difficiles à analyser.
Il reste encore beaucoup à explorer sur cette première forme de matière, mais nous sommes déjà sur le point d’apprendre exactement comment la soupe de quark est devenue de la matière. À terme, nous pourrions découvrir d’autres secrets sur l’expansion de l’Univers.
Ensuite, l’équipe du laboratoire national de Brookhaven est occupée à mettre en place des expériences pour tester les propriétés des plasmas quark-gluon à des échelles encore plus petites.
“Jusqu’à quel point un système peut-il être petit tout en présentant un comportement collectif ?”, explique l’une des chercheuses, Victoria Greene, de l’université Vanderbilt, dans le Tennessee.
“L’idée que l’on puisse reproduire le Big Bang en miniature en laboratoire et comprendre que l’état initial de l’Univers était cet état liquide parfait pourrait éclairer les modèles cosmologiques.”
Les résultats ont été publiés dans Nature Physics.