antineutrino

Imaginez une pièce où des centaines de personnes parlent en même temps, et vous, vous essayez d'entendre une épingle tomber. C'est exactement ainsi que les physiciens de la collaboration PandaX-4T ont écouté le silence à l'intérieur de 3,7 tonnes de xénon liquide.

Le faisceau d'antiprotons frappe la plaque, et chaque impact se disperse en une gerbe de particules chargées. Dans l'expérience GBAR au CERN, ce phénomène est observé non pas avec un détecteur complexe, mais avec une caméra industrielle ordinaire sans objectif, plaquée contre la fenêtre à vide depuis l'extérieur.

Le neutron est une particule qui se trouve généralement dans le noyau atomique et ne disparaît jamais. Mais certaines théories suggèrent qu'il pourrait parfois se transformer en son double invisible — une particule impossible à détecter avec les détecteurs ordinaires.

Les piles atomiques fonctionnant sur la désintégration du plutonium alimentent depuis plus de soixante ans les stimulateurs cardiaques et les sondes spatiales. Mais la matière première est rare : dans le monde entier, on ne produit que quelques kilogrammes de plutonium-238 par an, et cela suffit tout juste pour les missions les plus importantes.

L'antiproton est le jumeau miroir du proton : même masse, mais charge négative. Lorsqu'il pénètre dans la matière, il s'annihile généralement instantanément – il disparaît en libérant de l'énergie après avoir percuté le noyau d'un atome.

Une naine blanche est l'ancien noyau d'une étoile comme le Soleil, comprimé à la taille de la Terre. Une cuillère à café de sa matière pèserait plusieurs tonnes. Une étoile à neutrons est un résidu encore plus dense : une ville de la taille de Manhattan, mais avec une masse supérieure à celle du Soleil.

Une toupie tourne si vite que l'air autour d'elle se met à tourner à l'unisson. C'est à peu près ce que fait un trou noir : s'il tourne, il peut transférer son énergie aux particules qui se trouvent à proximité. Ce processus est appelé superradiance — il ressemble à un écho dans les montagnes, sauf qu'au lieu du son, ce sont de nouvelles particules qui naissent.

Dans la glace antarctique se cache un détecteur de la taille d'un kilomètre cube. Il ne capte pas la lumière, mais des particules fantômes : les neutrinos. Pourtant, il pourrait parfois y apparaître une tout autre bête : une paire de muons nés ensemble et s'éparpillant en un large éventail.

Dans la lointaine galaxie du Cigare, il existe un phare singulier. Il n'émet pas de lumière au sens habituel – ses rayons naissent dans un nuage surchauffé autour d'un trou noir qui dévore la matière d'une étoile voisine. De tels objets sont appelés sources de rayons X ultralumineuses. Leur éclat en rayons X est si intense qu'il éclipse des galaxies entières.

Au centre de nombreuses galaxies se cachent de gigantesques trous noirs. Ils sont entourés d’un épais nuage de plasma incandescent qui émet un puissant rayonnement X.

Tout en haut des montagnes, là où l'air est pur et silencieux, des physiciens s'apprêtent à attraper des visiteurs insaisissables venus du cosmos : les neutrinos. Ces particules, telles des fantômes, traversent la Terre sans presque laisser de traces. Mais parfois, un neutrino percute un atome, engendrant une pluie de particules que l'on peut observer.

Les neutrinos solaires sont de minuscules particules nées dans les entrailles du Soleil par milliards de milliards chaque seconde. Ils traversent la Terre sans presque la remarquer et ont longtemps été considérés comme absolument stables. Mais peut-être peuvent-ils eux aussi « vieillir » — se désintégrer discrètement, disparaissant en chemin vers nous.

Une poignée de sable dans le poing : les grains se bloquent les uns contre les autres, et la main ne peut pas se refermer davantage. La matière ordinaire se comporte de la même façon.

Une boule de billard en heurte une autre dans l'obscurité totale. Le bruit de l'impact et le cliquetis des billes tombant dans les poches — voilà tout ce que l'on entend. C'est à peu près ainsi que les physiciens étudient les interactions des particules élémentaires à des énergies qu'aucun accélérateur terrestre ne peut reproduire.

La lumière des quasars lointains, après avoir voyagé des milliards d'années, laisse sur la pellicule cosmique un motif de raies d'absorption sombres — la spectroscopique forêt Lyman-alpha. Chaque raie est comme une note dans une partition grandiose écrite par l'hydrogène du milieu intergalactique.

Erwin Schrödinger se demandait comment la vie maintient l'ordre malgré le deuxième principe de la thermodynamique. Il ne pouvait imaginer qu'une partie de la réponse se cachait dans l'instabilité des étoiles géantes.

En 2021, l'observatoire LHAASO a détecté des rayons gamma d'énergie supérieure à l'électron-volt-péta provenant de sources comme la nébuleuse du Crabe — un reste d'explosion de supernova au centre duquel pulse une étoile à neutrons.

Au cœur d'une étoile à neutrons, la matière est si comprimée que les protons et les neutrons familiers laissent place à de nouveaux acteurs. Là naissent les hypérons, des particules qui abritent un quark étrange.

Dans les premières secondes après le Big Bang, l'Univers nous a laissé non seulement de la lumière, mais aussi quelque chose de bien plus insaisissable — le fond de neutrinos reliques. Cet écho de la création imprègne chaque centimètre cube, mais nous ne le remarquons presque pas.

La main invisible de la matière noire étreint les galaxies dans les bras de la gravité, mais sa nature nous échappe depuis près d'un siècle.

Les étoiles à neutrons — vestiges de supernovae — sont parmi les objets les plus denses de l'Univers. Leur densité centrale dépasse de plusieurs fois la densité nucléaire, et leur gravité n'est surpassée que par les trous noirs.

En physique nucléaire, on a longtemps cru que deux neutrons ne pouvaient pas former un état lié — ils s'attirent trop faiblement et se séparent aussitôt. Cependant, à la surface des noyaux riches en neutrons, où la densité de matière chute à des millièmes de la densité nucléaire normale, la situation change radicalement.

Dans le cœur brûlant d'une étoile, deux noyaux d'hélium se rapprochent comme deux danseurs sur une scène bondée. Leur danse, c'est la diffusion alpha, fondement de la combustion de l'hélium stellaire hélium]. La fluidité de leurs pirouettes détermine la vitesse à laquelle l'étoile consomme son carburant.

La collision de deux étoiles à neutrons est un laboratoire cosmique où la matière est comprimée à des densités inimaginables. Dans les premiers instants après la fusion, un nuage brûlant se forme et se refroidit en émettant des neutrinos.

Au cœur d'une étoile à neutrons — le vestige d'une étoile explosée — la matière est si comprimée qu'une cuillère à café pèse des milliards de tonnes. Parmi cette matière hyperdense, une variété particulière de force pourrait agir, une qui ne concerne que les neutrinos muoniques et tauiques.

Le Soleil n'est pas seulement une source de lumière, c'est un laboratoire géant où naissent des particules fantômes. Chaque seconde, des milliards de neutrinos traversent votre corps sans presque le remarquer. Mais à l'intérieur du Soleil, ces particules se comportent différemment : elles changent de type en plein vol, comme un acteur qui joue trois rôles dans la même pièce.

Le noyau atomique ressemble à un bus bondé. Pour faire de la place, un groupe de deux protons et deux neutrons – le noyau d'hélium, la particule alpha – sort par la porte avant : c'est la désintégration alpha, décrite par George Gamow comme un tunnel sous la barrière d'énergie.

Une vieille photographie, prise au moment de la naissance de l'Univers, nous transmet sa lumière depuis près de 14 milliards d'années. Ce cliché, c'est le fond diffus cosmologique, l'écho refroidi du Big Bang. On y voit les infimes irrégularités à partir desquelles les galaxies ont ensuite grandi.

L'Univers est un cuisinier génial, et le Big Bang est sa recette parfaite. L'hydrogène a levé comme une pâte aérienne, l'hélium a fondu comme un délice, mais le lithium-7 semble avoir été trop salé : la théorie en prédit trois fois plus que ce que les astronomes trouvent dans les étoiles les plus anciennes.

Au plus profond du sol au Japon se trouve un immense réservoir rempli d'eau ultrapure. Il attend de rares visiteurs : les neutrinos, arrivant des explosions d'étoiles lointaines. Ces visiteurs sont si rares qu'au fil des années d'observation, l'appareil Super-Kamiokande n'enregistre que quelques événements.

Un essaim de lucioles ne se heurte presque jamais, mais change de couleur de manière synchrone en échangeant des signaux. C'est ainsi que se comportent les neutrinos dans les flux denses provenant d'étoiles en effondrement : ils se transforment collectivement d'un type à un autre, alors qu'individuellement ils interagissent très faiblement.

Dans les tout premiers instants après le Big Bang, la matière et l'antimatière auraient dû naître en quantités égales. Mais aujourd'hui, nous ne voyons que de la matière — les étoiles, les planètes, nous-mêmes. Où est passée l'antimatière ? Une des clés se cache dans des particules presque insaisissables : les neutrinos droits.

Un immense réservoir d'eau ultrapure est caché profondément sous terre au Japon. Ses parois sont tapissées de milliers de lampes sensibles à la lumière qui capturent de faibles flashs — les traces de particules fantômes traversant la masse d'eau.

Un architecte consulte son plan lorsqu'il construit une maison. Pour les cosmologistes, le plan est le modèle standard, et le mètre ruban est la lumière des galaxies lointaines. Récemment, un nouveau « mètre ruban », l'instrument DESI, a mesuré les distances de millions de galaxies avec une précision inédite.

Un interprète qui, à mi-chemin de la salle, se met soudain à traduire à l'envers. C'est à peu près ce qui pourrait arriver à un neutrino — cette particule fantôme qui ignore presque la matière — si son chemin croise un nuage de matière noire ultralégère.

Dans une salle bondée où des couples tournoient, une vague peut parfois parcourir l'assemblée : certaines paires se dissocient, d'autres se forment, et le mouvement entraîne tout le monde. C'est un peu ainsi que se comporte un nuage dense de neutrinos — ces particules minuscules qui interagissent à peine avec la matière.

À l'intérieur d'une étoile à neutrons, la densité ne varie pas en douceur : elle chute par à-coups, formant des marches de densité. Sur ces marches, le vide se met soudain à enfanter des paires : un neutrino et un antineutrino.

Les neutrinos sont des particules presque insaisissables : ils traversent les planètes sans même remarquer les atomes. Chaque capture est donc un coup de chance.

Dans le cristal Rb1-xV2Te2O, les spins des atomes de vanadium s'alignent en damier : chaque spin est entouré de spins opposés. Ce motif est appelé antiferromagnétisme de type G.

Si le noyau d'un atome est une famille, dans la maison de l'hélium ordinaire vivent deux protons et deux neutrons, solidement main dans la main. Imaginez maintenant qu'un des membres de la famille soit un excentrique qui aime se promener loin de la maison.