axion

Imaginez un récepteur radio dont une seule molette de réglage déplace d'un coup toutes les bobines internes, comme un seul organisme. C'est exactement le principe du nouvel instrument de recherche de l'axion, cette particule qui pourrait emplir les galaxies d'une masse invisible.

L'orchestre joue, même si personne ne voit le chef. Les musiciens sont les particules chargées dans la magnétosphère du pulsar, et la partition est constituée des champs électriques et magnétiques engendrés par la rotation de l'étoile hyperdense.

L'orchestre joue, même si personne ne voit le chef. Les musiciens sont les particules chargées dans la magnétosphère du pulsar, et la partition est constituée des champs électriques et magnétiques engendrés par la rotation de l'étoile hyperdense.

Au sous-sol du laboratoire, un aimant de 8 teslas bourdonne. À l'intérieur, tel une cloche dans un clocher, est suspendu un cylindre creux en cuivre, accordé sur une note unique. Si un axion, particule de matière noire, venait à passer à proximité, le cylindre répondrait par un tintement faible.

Dans une cuve contenant trois tonnes de xénon liquide, cachée profondément sous terre, quelque chose a bougé un jour. Pas le xénon lui-même, mais l'un de ses noyaux atomiques : il a reçu une impulsion de 248 keV et a rebondi comme une boule de billard heurtée par une boule invisible.

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.

À l'intérieur du Soleil, des réactions peuvent produire des particules légères et presque insaisissables : les axions. L'une de ces réactions génère des axions avec une énergie de 5,49 MeV, comme si chacun portait l'énergie d'une balle de tennis filant à 100 km/h.

Un immense stade rempli de personnes vêtues de noir. Vous êtes à l'extérieur et tentez de deviner ce qui se passe à l'intérieur, sans voir personne. Mais si deux personnes se heurtent et échangent des maillots fluorescents, vous remarquerez un éclair de couleur.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'univers ressemblait à une marmite bouillonnante. Selon une hypothèse, la matière noire — cette substance invisible qui empêche les galaxies de se disloquer — aurait pu y naître.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'univers ressemblait à une marmite bouillonnante. Selon une hypothèse, la matière noire — cette substance invisible qui empêche les galaxies de se disloquer — aurait pu y naître.

Le monde quantique ressemble à une cuisine où des particules surgissent soudainement de « rien ». Mais il faut un cuisinier : un champ classique qui agit comme une source externe. Le théorème de Glauber, bien connu en optique, est maintenant généralisé : il montre comment le champ « cuisine » les particules, qu'il s'agisse de photons ou de gravitons.

L'Univers primordial ressemble à un chaudron bouillonnant où particules et antiparticules naissent et meurent en proportions égales. Mais aujourd'hui, tout autour de nous n'est que matière : étoiles, planètes, nous-mêmes. Comment un infime excès d'un milliardième a-t-il pu émerger de l'égalité initiale ?

Une géante rouge dans un amas globulaire est une étoile à la retraite. Elle a brûlé l'hydrogène de son noyau et vit désormais de la combustion dans une fine couche autour du résidu d'hélium.

Un électron en trop dans une molécule, c'est un peu comme un passager qui s'accroche de justesse à la porte d'un train en marche. Ce « passager » transforme la particule en anion — un ion négatif. L'étudier n'est pas simple : la liaison est faible, le nuage électronique est diffus, et le moindre choc peut arracher l'électron.

L'Univers primordial ressemble à un chaudron bouillonnant où particules et antiparticules naissent et meurent en proportions égales. Mais aujourd'hui, tout autour de nous n'est que matière : étoiles, planètes, nous-mêmes. Comment un infime excès d'un milliardième a-t-il pu émerger de l'égalité initiale ?

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.

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.

Dans le plasma incandescent des profondeurs solaires naissent des particules qui n'interagissent presque pas avec la matière. Une hypothèse suggère qu'il s'agit de particules de type axion, légères et insaisissables.

Dans la galaxie NGC 1052 DF2, les étoiles se déplacent à seulement 8 kilomètres par seconde — comme si aucune masse invisible n'était présente. Pour comparaison, dans notre Voie lactée, les étoiles périphériques atteignent 200 kilomètres par seconde, retenues par un halo massif de matière noire.

À 123 parsecs de la Terre, dans la constellation de la Couronne australe, flotte l'étoile à neutrons RX J1856.5-3754. Son diamètre est d'environ 12 kilomètres, soit moins que le périphérique de Paris, mais sa température de surface atteint 460 000 kelvins.

Dans les premières fractions de seconde après le Big Bang, l'Univers a connu l'inflation, une expansion fulgurante qui a lissé toutes les irrégularités. Mais parmi cette glace cosmique, une note « fausse » aurait pu se glisser : les oscillations quantiques du champ d'axions.

Au plus profond de la terre, dans le silence d'un cryostat (un conteneur réfrigéré), reposent des cristaux de plomb qui faisaient autrefois partie d'un navire romain antique. Ce matériau est presque sans bruit de fond : en deux mille ans, les isotopes instables se sont désintégrés, et il est désormais parfaitement pur pour la chasse aux événements les plus rares.

Un phare en pleine mer ne tourne pas seulement : sa lampe elle-même tantôt faiblit, tantôt s'intensifie. C'est à peu près le comportement des naines blanches magnétiques, ces vestiges ultra-denses d'étoiles semblables à notre Soleil.

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.

Imaginez un faisceau vert qui, traversant un montage optique ingénieux, se tord en un entonnoir de lumière tridimensionnel — un vortex optique. En son cœur, comme dans l'œil d'un cyclone, l'intensité chute à zéro. C'est là que les photons disparaissent.

L'univers résonne de silence. La part du lion de la matière — environ 85 % — reste invisible, ne se manifestant que par la gravité. Déjà Vera Rubin avait montré que les galaxies tournent comme si une masse invisible les enveloppait.

Le monde qui nous entoure est en trois dimensions — mais ce n'est peut-être qu'une apparence. Certaines théories admettent que l'espace contient des dimensions supplémentaires, repliées ou étirées d'une manière particulière. L'un de ces modèles décrit un univers à cinq dimensions avec une dimension « diluée » (appelée dilaton linéaire).

Depuis que Saul Perlmutter et ses collègues ont découvert l'expansion accélérée de l'univers, les physiciens se creusent la tête sur la nature de l'énergie noire.

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.

Dans un système binaire serré, une étoile chaude, tel un projecteur, éclaire son compagnon plus froid. Une partie de la lumière est diffusée par les électrons libres de son atmosphère — c'est la diffusion de Thomson — et acquiert une polarisation linéaire.

Dans un système binaire serré, une étoile chaude, tel un projecteur, éclaire son compagnon plus froid. Une partie de la lumière est diffusée par les électrons libres de son atmosphère — c'est la diffusion de Thomson — et acquiert une polarisation linéaire.

La matière noire demeure l'une des plus grandes énigmes de la physique moderne. Déjà, Vera Rubin, en observant la rotation des galaxies, avait prouvé que la matière visible ne suffisait pas à retenir les étoiles.

Dans l'obscurité totale d'une chambre à vide flotte un minuscule aimant. Il ne touche pas les parois et ne perd presque pas d'énergie – un gardien idéal, prêt à capter la plus faible impulsion. C'est exactement le genre de gardien nécessaire pour la chasse aux axions.

Une grande cuve souterraine remplie de xénon liquide attend un événement rare : une secousse provoquée par une particule de matière noire. En temps normal, la gravité est trop faible pour qu'une telle secousse soit perceptible.

L'Univers ressemble à un immense entrepôt où un inventaire rigoureux a été effectué il y a très longtemps. Le rayonnement fossile est un registre ancien de tout ce qui existait 380 000 ans après le Big Bang. Selon ce registre, la proportion de matière dans le « budget » cosmique (le paramètre Oméga_m) est connue avec une grande précision.

Dans l'Univers primordial, de minuscules trous noirs ont pu naître — avec la masse d'une montagne, mais la taille d'un noyau atomique. Aujourd'hui, ils pourraient servir d'usines à matière noire.

L'Univers est rempli d'une masse invisible — la matière noire, dont Fritz Zwicky a parlé pour la première fois dans les années 1930. Aujourd'hui, les meilleurs candidats sont les axions, des particules au-delà du modèle standard.

Un orchestre parfaitement réglé, où chaque instrument est accordé avec une précision irréprochable, tente de jouer dans une salle bruyante. Ce bruit, c'est la gravité quantique, l'ondulation de l'espace-temps à l'échelle microscopique. Elle ne cesse de menacer de déstabiliser les musiciens.

Une mer qui imprègne tout l'espace reste invisible pour nous. Cette mer, c'est la matière noire, et les vagues à sa surface sont des particules appelées axions. Elles sont si légères et si insaisissables qu'elles traversent la Terre sans même la remarquer.