détecteur ALICE

Dans le nuage froid TMC-1, où la température ne dépasse pas dix degrés au-dessus du zéro absolu, les molécules se rencontrent rarement. Mais de temps en temps, un atome d'hélium les traverse, et ce bref contact suffit pour que la molécule modifie sa rotation.

Dans le puits qui mène au Grand collisionneur de hadrons, on veut installer un résident inhabituel : un tube vertical de cent mètres, à l'intérieur duquel tomberont des nuages d'atomes de strontium. Chaque nuage est refroidi à presque zéro absolu, pour que les atomes se déplacent lentement et de manière coordonnée, comme des danseurs au ralenti.

Au sud de l'Inde, dans la ville de Madurai, un étrange « chasseur » de particules cosmiques a fonctionné de 2018 à 2022 : le prototype mini-ICAL, d'une masse de 85 tonnes. C'est une version réduite 600 fois du futur détecteur de neutrinos (ces particules fantômes insaisissables) qui sera construit profondément sous terre.

Au cœur du détecteur ATLAS, comme dans un thermos géant, sloshe de l'argon liquide — un liquide transparent à moins 184 degrés Celsius. Lorsqu'une particule le traverse, un faible signal électrique naît, semblable à un doux clapotis.

Dans le silence absolu, il faut entendre tomber un duvet. Mais quelqu'un froisse sans cesse un sac en plastique. Pour l'observatoire spatiale LISA, ce « froissement » sera causé par les particules chargées venues de l'espace.

Dans un four, on fait cuire un énorme pain. À l'intérieur de la pâte, il y a une petite zone, la plus chaude — c'est là que commence la croissance de la future miche.

L'histoire a commencé il y a près d'un siècle, lorsque Edwin Hubble a montré que les galaxies s'éloignent, et que Fritz Zwicky et Vera Rubin ont compris plus tard que leurs mouvements nécessitent une masse invisible — la matière noire.

Les noyaux atomiques ne ressemblent pas toujours à des boules de billard. Certains sont allongés comme des cigares, d'autres aplatis. Pour le xénon-129, la forme évoque une pomme de terre — un ellipsoïde triaxial bosselé.

Glace, eau, vapeur — des transitions de phase que tout le monde connaît. Mais que se passe-t-il si l'on comprime et chauffe le noyau de l'atome lui-même ? Les théoriciens pensent que les protons et les neutrons qu'il contient « fondent », libérant des briques plus petites — les quarks et les gluons.

Au cœur du détecteur du Grand collisionneur de hadrons, des protons entrent en collision et, pendant un bref instant, quelque chose de lourd naît.

L'Univers est rempli d'une substance invisible qui régit le mouvement des galaxies. Dans les années 1970, l'astronome Vera Rubin a montré que sans matière noire, les étoiles des confins se seraient dispersées depuis longtemps. Mais de quoi est-elle faite ? On l'ignore.

Une autoroute circulaire autour du Soleil, où ne circulent pas des voitures mais des paquets de matière. Le diamètre de cette route se mesure en années-lumière : elle ceinture notre système planétaire à sa frontière extérieure, dans le nuage d'Oort, là où l'attraction de l'étoile se fait encore sentir.

L'ordinateur quantique maintient les atomes dans des pièges de lumière, comme des billes dans des alvéoles. Pour lire la réponse, il faut photographier chaque atome et déterminer s'il brille ou non. Auparavant, l'analyse d'une telle image prenait tellement de temps que l'ordinateur restait inactif.

Au cœur d'une étoile massive, avant l'explosion, les couches sont empilées comme les pelures d'un oignon. Parfois, deux couches adjacentes – celle de carbone et celle d'oxygène – se mélangent. C'est un peu comme dans une casserole de soupe où les couches de bouillon et de légumes se mélangent quand on remue avec une cuillère.

Dans une cuisine, deux faisceaux de lampes de poche se traversent sans se remarquer. La lumière n'interagit presque pas avec la lumière. Mais si l'on accélère des particules à des énergies énormes, deux photons peuvent entrer en collision et donner naissance à quelque chose de nouveau.

Dans un anneau souterrain de 27 kilomètres de circonférence, des protons sont accélérés jusqu'à une vitesse proche de celle de la lumière puis projetés frontalement les uns contre les autres. Au point d'impact, des conditions comparables à celles qui régnaient dans le premier billionième de seconde après la naissance de l'Univers sont créées pendant un instant.

Dans le froid profond, à une température de seulement deux degrés au-dessus du zéro absolu, une cavité en cuivre de la taille d'une casserole écoute le silence de l'Univers.

Dans une chambre noire où la température n'est que de quatre degrés au-dessus du zéro absolu, repose un cristal de saphir de la taille d'un grain de riz. Lorsqu'un neutrino – particule fantôme qui ne remarque presque pas la matière – le traverse, le cristal frémit et s'échauffe d'une fraction infime de degré.

Dans le vaste champ COSMOS, où les télescopes scrutent des milliers de galaxies lointaines, un groupe particulier a été trouvé : quatre concentrations de jeunes galaxies situées dans une portion de ciel de la taille de plusieurs pleines lunes.

Dans un plasma où une partie des atomes reste neutre, les lignes de champ magnétique peuvent se réorganiser à des vitesses variables. C'est un peu comme deux élastiques qui, d'abord entrelacés, se détachent soudainement et se contractent, libérant de l'énergie.

Au plus profond du Grand collisionneur de hadrons, des noyaux de plomb entrent en collision avec une telle violence qu'un instant, une matière plus chaude que le Soleil voit le jour.

Dans le détecteur ATLAS du Grand collisionneur de hadrons, les protons entrent en collision des milliards de fois par seconde. Parmi ce flux, les physiciens ont repêché huit événements où, après l'impact, sont nées simultanément deux particules Z et un photon.

Les horloges atomiques ordinaires tiquent lorsqu'un électron saute entre des niveaux d'énergie. Mais les champs extérieurs et les chocs peuvent perturber ce rythme. Les ions hautement chargés — des atomes auxquels on a arraché de nombreux électrons — ne remarquent presque pas ces perturbations : leurs électrons sont profondément et solidement liés.

La chasse à la désintégration la plus rare ressemble à la recherche d'une fausse pièce dans un tas de vraies. Il faut non seulement la trouver, mais aussi prouver que ce n'est pas un reflet sur le métal.

Le laser frappe la cible — et un nuage de plasma s'élance dans la chambre, propulsé à des centaines de kilomètres par seconde. Autour, ce n'est pas le vide : la chambre est remplie d'un gaz raréfié qui joue le rôle du milieu interstellaire. Le plasma s'y enfonce comme un hors-bord dans une eau calme, repoussant le gaz devant lui.

La croissance d'un cristal de germanium ultra-pur évoque la cuisson d'un soufflé capricieux : un léger excès de chaleur ou un grain d'impureté en trop, et tout le lingot ne vaut plus que pour être refondu.

Deux galaxies se rapprochent, comme un couple de danseurs qui tantôt s'écarte, tantôt se rapproche. Au moment d'un rapprochement particulièrement étroit, leur gaz se comprime et une vive lumière ultraviolette jaillit des profondeurs. C'est exactement ce qui se passe dans le système Hara 11 — la paire de galaxies en fusion la plus proche de nous qui laisse échapper une telle lumière.

Dans les accélérateurs géants, les particules filent à une vitesse proche de celle de la lumière et se percutent de front. Mais parfois, un faisceau est un peu plus dense que l'autre — comme si, dans un escalator bondé, quelqu'un se tenait du mauvais côté. Alors les collisions se font de manière irrégulière, et les instruments se mettent à « clignoter », faussant les mesures.

Dans le détecteur d'un collisionneur, chaque collision de protons laisse une traînée de dizaines de particules, comme les éclaboussures d'une pierre jetée dans l'eau. Démêler ces éclaboussures et comprendre ce qui s'est passé au moment de l'impact est une tâche que l'humain ne peut plus accomplir seul.

Un caillou tombe dans un étang, et des cercles se propagent à la surface. Mais parfois, le caillou ne coule pas immédiatement : il glisse sous la surface, parcourt quelques mètres, puis remonte, créant des cercles à un endroit inattendu.

À l'intérieur des protons, accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière, naît parfois une particule plus lourde qu'un atome d'or : le quark top. Elle ne vit que des fractions de seconde et se désintègre, laissant une trace dans le détecteur ATLAS.

L'eau dans une bouilloire chauffe jusqu'à cent degrés, puis cesse d'être de l'eau pour devenir de la vapeur. Quelque chose d'analogue se produit avec les noyaux atomiques lorsqu'on les fait entrer en collision à des vitesses énormes dans le Grand collisionneur de hadrons.

Dans une pièce sombre, une cuve d'argon liquide. Parfois, une particule invisible la traverse, heurte un noyau atomique – et une faible lueur jaillit dans le liquide. Grâce à cette lueur, les physiciens tentent de comprendre quelle visiteuse s'est invitée.

Au laboratoire DESY, l'expérience ALPS II a été lancée pour traquer les axions — ces particules fantômes hypothétiques dont pourrait être faite la matière noire. Cette masse invisible agit comme une armature qui empêche les galaxies de se disperser sous l'effet de leur rotation.