Un plasma de quarks et de gluons est un état de la matière dans lequel ce dernier est un ensemble de gluons, de quarks et d’antiquarks. La formation d’un tel plasma se déroule de manière similaire à la formation d’un plasma ordinaire.
Les atomes de matière ordinaire sont le plus souvent neutres, car la charge de leur noyau est compensée par l’électron qui tourne autour du noyau. Lorsque la température augmente, les atomes sont ionisés, c’est-à-dire que l’électron acquiert suffisamment d’énergie pour quitter son orbite, ce qui donne un noyau chargé positivement et un électron chargé négativement. Cet état de la matière est appelé plasma.
Dans le cas d’un plasma de quarks et de gluons, la «couleur» est compensée. La couleur est l’une des caractéristiques des quarks qui composent la particule — le hadron — et des gluons — qui «collent» les quarks ensemble (ils sont porteurs de l’interaction forte).
Le confinement
Les quarks et les gluons qui composent les hadrons ne sont pas capables d’être à l’état libre dans des conditions ordinaires. Ainsi, si l’on tente de les «séparer» à une distance supérieure à la taille d’un hadron (10-13 cm), l’énergie des quarks et des gluons augmente rapidement et indéfiniment. Le phénomène de l’impossibilité de séparer les quarks est appelé «confinement», ce qui se traduit de l’anglais par «emprisonnement». Ce phénomène est décrit à l’aide de la caractéristique mentionnée précédemment : la couleur. Ainsi, à l’état libre, il ne peut exister que des objets composés de quarks de couleur blanche. Par exemple, le proton est composé de quarks dont les couleurs sont : vert, bleu et rouge, ce qui donne au total la couleur blanche.
Combinaison de charges colorées
Cependant, il existe des conditions dans lesquelles le confinement fonctionne différemment. Il s’agit notamment des conditions de très basse température ou de très haute pression. Dans ces conditions, les fonctions d’onde de deux nucléons (le nom commun des protons et des neutrons qui constituent le noyau d’un atome) se chevauchent, c’est-à-dire que ces particules semblent se «superposer». En conséquence, les quarks cessent de distinguer leurs nucléons d’origine et commencent à se déplacer librement dans le volume du noyau, constitué de ces nucléons. Il y a donc confinement, mais le volume de sa «cellule de prison» est beaucoup plus grand. Par conséquent, plus les nucléons se touchent et se «chevauchent», plus la taille de la «cage» augmente. Un tel phénomène peut atteindre des échelles macroscopiques et plus.
Existence et production
Le plasma de quarks et de gluons résulte de la «superposition» de nombreux nucléons les uns sur les autres, ce qui permet aux quarks de se déplacer librement à l’intérieur du volume du noyau constitué de ces nucléons. Ce type de plasma existe principalement dans des conditions de haute pression, comme dans les noyaux des étoiles à neutrons. Cependant, en 2005, des scientifiques américains ont réussi à obtenir du plasma de quarks et de gluons au collisionneur d’ions lourds RHIC. Cet accélérateur a réussi à faire entrer en collision des noyaux à une vitesse égale à 99,99 % de la vitesse de la lumière. La collision a libéré une énergie de 2 000 GeV, à une pression atmosphérique de 10 25 à 10 30 et à une température de 10 9 à 10 10 K. Plus tard, une expérience similaire a été répétée au Grand collisionneur de hadrons du CERN à des énergies plus élevées.
L’expérience ALICE du CERN participe à l’étude du plasma de quarks et de gluons.
Par ailleurs, selon les hypothèses de certains cosmologistes, la matière de l’Univers dans les premiers instants qui ont suivi le Big Bang (environ 10-11 s) était à l’état de plasma de quarks et de gluons, d’où l’asymétrie baryonique de l’Univers après l’explosion.
Date de publication: 12-26-2023
Mettre à jour la date: 12-26-2023