Le plasma quark-gluon est un état de matière dense dont les quarks et les gluons sont ses constituants. Peu de temps après le Big Bang, l’affaire était dans une telle phase. Lorsque l’Univers se développait et se refroidissait, le plasma de quarks-gluons s’est transformé en hadrons (neutrons et protons), qui formaient en outre les noyaux atomiques. Alors que la viscosité et la densité du plasma quark-gluon sont environ 16 ordres de grandeur plus grandes que dans l’eau, une équipe internationale de physiciens a constaté que le rapport entre la viscosité et la densité des deux types de fluides est le même.
Visualisation d’une goutte en expansion de plasma quark-gluon. Crédit d’image: Javier Orjuela Koop, Université du Colorado, Boulder.
«Cette étude fournit un exemple assez rare et charmant 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 hydrodynamique, ce qui nous laisse avec de nombreux problèmes ouverts qui sont actuellement à la pointe de la recherche en physique.»
«Notre résultat montre la puissance de la physique pour traduire les principes généraux en prédictions spécifiques sur des propriétés complexes telles que l’écoulement de liquide dans des types exotiques de matière comme le plasma quark-gluon.»
Depuis le début des années 2000, les physiciens ont pu recréer expérimentalement du plasma quark-gluon à l’aide de gros collisionneurs de particules, ce qui a fourni de nouvelles perspectives 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 d’atomes et de molécules qui sont beaucoup plus gros que les particules présentes 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 de la viscosité et de la densité, connu sous le nom de viscosité cinématique, est proche à la fois du plasma quark-gluon et des liquides ordinaires.
Ce rapport est important car le débit de 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.
Surtout, ce n’est pas n’importe quelle viscosité liquide qui coïncide avec la viscosité du plasma quark-gluon.
En effet, la viscosité du liquide peut varier de plusieurs ordres de grandeur en fonction de la température.
Cependant, il y a un point très particulier où la viscosité du liquide a une limite inférieure presque universelle.
Des recherches antérieures ont montré que dans cette limite, la viscosité du fluide 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 régissent des processus comme la synthèse nucléaire dans les étoiles et la création d’éléments biochimiques essentiels nécessaires à la vie.
L’étude a révélé que c’est cette limite inférieure universelle de viscosité des fluides ordinaires comme l’eau qui s’avère être proche de la viscosité du plasma quark-gluon.
«Nous ne comprenons pas encore entièrement 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 pour les liquides ordinaires et le plasma quark-gluon», a déclaré le professeur Kostya Trachenko chercheur à l’Université Queen Mary de Londres.
«Il est concevable que le résultat actuel puisse nous fournir une meilleure compréhension du plasma quark-gluon», a déclaré le professeur Vadim Brazhkin, chercheur à l’Universidad Autónoma de Madrid.
«La raison en est que la viscosité des liquides à leur minimum correspond à un régime très particulier de 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 Physique SciPost.
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Kostya Trachenko et al. 2021. Similitude entre la viscosité cinématique du plasma quark-gluon et des liquides au minimum de viscosité. SciPost Phys 10, 118; doi: 10.21468 / SciPostPhys.10.5.118
