Les scientifiques révèlent la force cachée qui anime le fluide le plus chaud de l’univers
Lorsque des noyaux atomiques s’entrechoquent à près de la vitesse de la lumière, ils produisent brièvement un plasma de quarks et de gluons, un état de matière extrêmement chaud où les quarks et les gluons peuvent se déplacer librement. Ce matériau exotique se comporte comme un fluide presque parfait, offrant aux scientifiques un moyen d’étudier des conditions similaires à celles qui existaient peu après le Big Bang.
Les chercheurs ont consacré une attention considérable au mouvement tourbillonnant intense du plasma et à ses puissants champs électromagnétiques. Cependant, son accélération a reçu beaucoup moins d’attention, bien qu’elle contribue directement à l’expansion rapide de la boule de feu. En hydrodynamique, l’accélération est considérée tout aussi fondamentale que la vorticité, de la même manière que les champs électriques et magnétiques sont traités comme des parties également importantes de l’électromagnétisme.
Une équipe de recherche dirigée par les physiciens de l’Université Fudan, Yu-Gang Ma et Xu-Guang Huang, a entrepris de cartographier la manière dont l’accélération se forme et évolue à l’intérieur du plasma de quarks et de gluons. Les chercheurs ont combiné deux modèles de transport de particules largement utilisés, AMPT et UrQMD, avec une méthode de lissage gaussien. Cette technique a permis de transformer les distributions de particules individuelles en champs d’énergie, de moment et de vitesse continus, permettant à l’équipe d’examiner le plasma en tant que fluide évolutif.
En utilisant cette approche, ils ont suivi l’accélération à travers des énergies de collision allant de 3,5 GeV à 2,76 TeV. Selon le professeur Huang, « l’accélération n’est pas simplement un détail cinématique — elle peut agir comme un paramètre de contrôle thermodynamique de la matière QCD. »
Les simulations ont montré que l’accélération propre maximale peut atteindre plusieurs centaines de MeV à la fois à basse et à haute énergie de collision. L’accélération transversale la plus forte pointe constamment vers l’extérieur et apparaît près de la frontière extérieure de la boule de feu. Cette bordure devient un point chaud d’accélération car la pression y chute rapidement tandis que la densité d’enthalpie reste faible. Selon l’équation d’Euler relativiste, ces deux conditions se renforcent mutuellement et augmentent considérablement l’accélération.
Le plasma se comporte différemment en fonction de l’énergie de la collision. À des énergies plus faibles, l’arrêt nucléaire ralentit initialement la matière, produisant une décélération allant jusqu’à environ 500 MeV. À des énergies ultrarelativistes, les noyaux se croisent si rapidement qu’ils entraînent le plasma nouvellement créé dans de brèves et intenses impulsions d’accélération.
L’accélération pourrait influencer davantage que le mouvement du plasma. Par le biais de l’effet Unruh, un observateur en accélération percevrait l’espace vide comme un environnement thermique. Une accélération de plusieurs centaines de MeV pourrait donc ressembler à des températures proches de la température de transition QCD.
Cette possibilité suggère que l’accélération pourrait ajouter un nouvel « axe d’accélération » à la structure de phase de la matière QCD, affectant à la fois la transition chirale et la transition associée à la confinement des quarks. L’accélération pourrait également générer des effets de transport jusqu’alors inexplorés et influencer l’alignement des spins des particules, complétant ainsi les effets produits par la vorticité.
Les chercheurs prévoient maintenant d’inclure une évolution hydrodynamique plus réaliste dans leurs calculs et espèrent identifier des signaux expérimentaux qui pourraient révéler l’influence de l’accélération, y compris des motifs dans la polarisation des spins des hyperons. En reliant les effets quantiques non inertiels à des comportements de particules mesurables, ce travail ouvre une nouvelle direction pour l’étude de la matière régie par l’interaction forte.
« Tout comme la température et la densité définissent le diagramme de phase de la matière, l’accélération pourrait ouvrir un nouvel axe de ce diagramme, » a déclaré le professeur Huang. « En cartographiant cette dimension cachée du plasma de quarks et de gluons, nous espérons transformer les effets quantiques non inertiels en signatures que les expériences peuvent réellement mer. »
Source : Fudan University
