expérience ATLAS

Au Grand collisionneur de hadrons, on fait entrer en collision des protons, et parmi les débris apparaît parfois une particule poids lourd – le baryon lambda. Elle ne vit qu'une fraction infinitésimale de seconde et se désintègre en d'autres particules.

Trois boules de billard frappées se dispersent sur la table — leurs trajectoires ne dépendent que de l'impulsion initiale. Mais dans le monde des noyaux atomiques, c'est plus complexe : les particules se ressentent mutuellement en mouvement, même si elles ne sont pas liées en un tout.

La matière noire est l'armature invisible de l'Univers. Elle existe, c'est évident d'après le mouvement des étoiles et des galaxies, mais de quoi est faite cette armature, on l'ignore encore. Une hypothèse : des particules ultralégères, semblables aux axions.

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.

3I/ATLAS a fait irruption dans le système solaire comme un invité surprise, un cadeau du destin pour les chasseurs d'intelligence extraterrestre. Ce vagabond comète venu des profondeurs de la Galaxie est passé assez près pour être écouté dans les moindres détails, contrairement aux lointaines exoplanètes.

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.

Une particule chargée traverse un capteur en silicium et laisse derrière elle une traînée d'électrons libres. Le temps que met cette charge à se rassembler sur l'électrode dépend de la profondeur à laquelle elle est née dans le cristal.

Des physiciens ont proposé une expérience : un faisceau laser joue le rôle de détecteur quantique et est divisé en deux faisceaux-oreilles. Chaque oreille est dirigée à travers un minuscule nuage d'atomes ultra-froids — dans cet état, les atomes fusionnent en une onde unique.

Lorsqu'on chauffe de la matière à des millions de degrés, elle se transforme en plasma – un mélange d'électrons libres et d'ions, semblable à une soupe bouillonnante de particules chargées. On ne peut pas sonder cette « soupe » avec un thermomètre ordinaire, mais on peut l'éclairer avec des rayons X.

Les gouttes d'huile dans un bouillon bouillant ont tendance à se disperser, mais si on les fait entrer en collision très lentement, elles peuvent s'agglutiner un instant. Quelque chose de similaire se produit avec les quarks top, les briques de matière les plus lourdes connues.

Lorsque deux particules volent presque à la même vitesse dans la même direction, leurs signaux dans le détecteur se confondent, comme deux voix à l'unisson. Distinguer le duo du soliste est un art en soi.

Les rayons cosmiques sont des particules qui nous parviennent des confins de l'espace. Lorsqu'une telle particule percute l'atmosphère, elle engendre toute une pluie de nouvelles particules — comme une boule de billard qui brise le triangle et fait partir les boules dans toutes les directions.

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.

Le laser frappe une minuscule grille de verre, et les électrons qui la traversent sont accélérés. Impossible de regarder à l'intérieur : on juge de ce qui se passe par l'énergie des électrons après l'accélération — comme on devine la forme d'une pierre aux éclaboussures qu'elle fait.

Deux particules qui s'éloignent dans des directions opposées se comportent comme un tout : la mesure de l'une détermine instantanément l'état de l'autre. Cette intrication quantique est connue depuis longtemps pour les particules légères, mais c'est la première fois qu'on l'observe chez les bosons Z, les lourds porteurs de l'interaction faible.

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.

Au Grand collisionneur de hadrons, les protons entrent en collision à une vitesse proche de celle de la lumière. Parfois, ils ne se brisent pas, mais échangent des photons, des particules de lumière.

Dans le détecteur ATLAS du Grand collisionneur de hadrons, des protons entrent en collision avec une énergie considérable, et parmi les débris naît parfois un boson de Higgs — la particule qui donne leur masse aux autres particules.

Le lepton tau est un lourd cousin de l'électron, qui vit moins d'un billionième de seconde. D'habitude, il se désintègre en particules plus légères, mais jamais directement en trois muons : une telle transition est interdite par les lois connues de la physique des particules. Si elle se produisait, cela signifierait que des forces inconnues agissent dans la nature.

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 détecteur ATLAS du Grand collisionneur de hadrons, les particules laissent des traces comme des skieurs sur la neige. Certaines traces s'interrompent après quelques centimètres — c'est ainsi qu'apparaîtrait une particule qui naît, parcourt un court trajet puis se désintègre en quelque chose d'invisible.

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.

Lors des collisions de noyaux lourds, une boule de feu de milliers de particules est créée. Parmi elles, on trouve des pions et des kaons, deux types de particules légères qui se ressemblent beaucoup. Pour comprendre ce qui se passe dans cette boule de feu, les physiciens doivent savoir exactement combien de particules de chaque type ont été émises.

Un unique antiproton, piégé et refroidi presque au zéro absolu, se comporte comme un diapason qu'il faut frapper très précisément pour entendre un son pur. Capter ce « son » directement est presque impossible – le signal est trop faible.

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.

À l'intérieur du Grand collisionneur de hadrons, les protons sont accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière et entrent en collision frontale. Au point d'impact, un concentré d'énergie naît brièvement, à partir duquel de nouvelles particules peuvent apparaître. L'une des plus lourdes est le quark top.

Les vagabonds interstellaires sont des roches et des blocs de glace qui se sont échappés de leur système planétaire d'origine et qui traversent désormais la Galaxie. Le premier invité de ce genre, Oumuamua, a filé près du Soleil en 2017, suivi par la comète Borisov et l'objet ATLAS. D'où viennent-ils ?

Dans la salle souterraine du Fermilab se dresse une immense cuve remplie d'argon liquide, un liquide transparent à la température de moins 186 degrés.

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.

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.

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.

En 1976, le physicien canadien Bill Unruh posa une question simple : que voit un observateur qui accélère dans le vide ? La réponse s'avéra étrange : le vide cesse d'être vide. L'observateur accéléré baigne dans un rayonnement thermique dont la température est proportionnelle à l'accélération.