Une manière plus simple de comprendre le chaos ultrachaud

Pour recréer la naissance de l’univers, la plupart des physiciens croient qu’il faut d’abord un Big Bang, suivi presque instantanément par l’apparition d’une mixture ultrachaude de plasma, la soupe primordiale à l’origine de tout ce qui existe.

Ce processus n’est pas du tout facile à reproduire, mais dans des collisionneurs à ions lourds, des expérimentateurs créent des « petits bangs » pour produire de minuscules gouttelettes de plasma quark-gluon (PQG).

Ces expériences donnent une idée du genre de matière qui remplissait l’univers naissant, mais un problème demeure. À ses tout premiers stades – entre le « bang » et la « bouillie » –, le système connaît une distorsion extrême. De fait, ce n’est que lorsqu’il se refroidit qu’il atteint un équilibre et peut être étudié.

C’est cette période de chaos ultrachaud qui intrigue Michal P. Heller, postdoctorant à l’Institut Périmètre. Dans un article publié récemment dans Physical Review Letters, pour expliquer cette période, il fait appel à deux domaines en apparence bien différents – l’hydrodynamique et la théorie des cordes.

Dans la matière ordinaire, les quarks isolés n’existent pas; ils sont toujours très fortement liés entre eux par des gluons au sein des noyaux atomiques. Mais dans des conditions extrêmes, par exemple à des températures un million de fois plus élevées que celle du Soleil, ces liens peuvent « fondre », formant un plasma ultrachaud, pratiquement dépourvu de friction, dans lesquels les quarks et les gluons se déplacent librement.

On a récemment créé du PQG en projetant des noyaux atomiques les uns contre les autres au collisionneur d’ions lourds relativistes du Laboratoire national de Brookhaven, aux États-Unis, ainsi qu’au grand collisionneur de hadrons du CERN, en Suisse.

Les minuscules gouttelettes de PQG produites par ces « petits bangs » ont une existence extrêmement brève, comme des boules de feu incroyablement chaudes qui s’étendent et refroidissent rapidement pour devenir de la matière ordinaire. Au cours de l’instant qui suit la collision, le système ultrachaud subit une distorsion extrême, pratiquement au point de pouvoir être considéré comme un fluide.

Même si les théoriciens connaissent les règles qui régissent à l’échelle microscopique de telles collisions à ultra-haute énergie, certaines questions demeurent. Il est clair que ces systèmes ne deviennent du plasma que lorsqu’ils s’apaisent suffisamment pour atteindre un état d’équilibre. Pour savoir ce qui se passe entre-temps dans la période de chaos, avant que le système n’atteigne cet état d’équilibre, il faut faire des calculs extraordinairement complexes.

Le modèle standard des expériences sur le plasma fait appel à l’hydrodynamique relativiste, théorie semblable à celle qui décrit le mouvement de l’eau, mais qui intègre la relativité restreinte d’Einstein (à cause du fait qu’un PQG et ses constituants microscopiques se déplacent à de grandes vitesses où les effets relativistes deviennent importants).

Certains chercheurs, dont M. Heller, simplifient le problème en assimilant le relâchement de la « boule de feu » de PQG à un trou noir qui atteint l’équilibre dans un espace hypothétique à 5 dimensions. Cette démarche adopte des méthodes issues de la théorie des cordes et les applique à la physique des expériences de « petits bangs » et des gouttelettes de PQG qui en résultent.

Michal P. Heller et les autres auteurs de l’article mettent de l’avant une technique de calcul qui représente en quelque sorte un raccourci supplémentaire pour les théoriciens : au lieu d’effectuer les calculs en utilisant les équations d’Einstein dans un espace à 5 dimensions – ce qui est très compliqué –, ils ont mis au point une manière d’incorporer une partie de ces calculs dans une description à 4 dimensions combinée à des équations d’hydrodynamique conventionnelle.

« L’article révèle à propos des théories de l’hydrodynamique relativiste des choses qui étaient connues, mais auxquelles peu de personnes avaient réfléchi sérieusement, déclare M. Heller. Notre observation offre une nouvelle manière de décrire les effets transitoires de relaxation qui régissent l’état de plasma quark-gluon. » [traduction]

Ces travaux constituent un retour aux sources pour Michal P. Heller, scientifique polonais qui est arrivé à l’Institut Périmètre en 2014, en provenance de l’Université d’Amsterdam. Sa carrière de chercheur a commencé en 2007 avec un article sur des théories de l’hydrodynamique relativiste de deuxième ordre, qui introduit l’évolution causale dans la dynamique des fluides ordinaire. Les travaux qu’il a effectués en 2012 et 2013 en théorie des cordes et en gravitation quantique l’ont ramené à ces théories, mais avec une perspective nouvelle.

Et M. Heller d’ajouter : « C’est agréable pour moi de revenir au projet avec lequel j’ai commencé ma carrière scientifique et de me rendre compte que des choses qui me semblaient simples il y a plusieurs années ne sont en réalité pas si évidentes et ont des conséquences d’une portée considérable. » [traduction]

Quand il était plus jeune, il croyait que l’univers pouvait être compris à l’aide d’un modèle simple. Maintenant, il est beaucoup plus nuancé : « À partir d’un certain point, on commence à se rendre compte que tout est complexe et interrelié. » [traduction]

Il poursuit en disant qu’il en va de même pour le PQG. Les chercheurs aimeraient probablement pouvoir créer un PQG dans un état simple d’équilibre (afin de pouvoir introduire leurs propres distorsions et en mesurer les effets), mais la réalité est beaucoup plus complexe. Les méthodes expérimentales et théoriques actuelles ne sont pas assez précises pour saisir et analyser en détail l’état initial, hautement perturbé, des gouttelettes. Mais l’article de Michal P. Heller constitue un pas dans cette direction.

Le chercheur ajoute : « Avons-nous le choix? Probablement pas, du moins si l’on considère ce qui est à notre disposition sur terre. » [traduction]

Si d’autres chercheurs poursuivent dans cette voie, combinant ces travaux avec des méthodes complémentaires de la physique de l’état initial pour construire une sorte d’hybride, M. Heller est d’avis que des théories généralisées de l’hydrodynamique « constitueront un ingrédient crucial des progrès à venir dans ce domaine » [traduction].

– Tenille Bonoguore