détection d'axions

Dans une chambre à gaz où l'on enregistre habituellement des électrons rapides, ce sont soudain des porteurs de charge lents qui sont apparus : des ions négatifs. Ils se déplacent comme des porteurs lourds qui ne se dispersent pas sur les côtés, mais avancent en rangs serrés.

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.

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 les premiers instants après le Big Bang, l'Univers était une « soupe » brûlante de particules. En refroidissant, il a subi des transitions de phase — comme l'eau qui se transforme en glace.

Dans les tout premiers instants après le Big Bang, l'Univers s'est gonflé à une vitesse prodigieuse — on appelle cette phase l'inflation. Même le vide n'était pas calme : des secousses quantiques agitaient les champs, comme le vent fait onduler les blés. L'un de ces champs, le champ de Higgs sombre, a pu s'écarter par hasard de sa position la plus stable.

En 1929, Edwin Hubble a pointé son télescope vers des galaxies lointaines et a découvert qu'elles s'éloignent. Quatre-vingt-dix ans plus tard, deux mesures de cette vitesse d'éloignement – l'une issue de la lumière ancienne, l'autre d'étoiles proches – refusent obstinément de coïncider.

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.

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.

Huit points brillants dans le ciel radio. C'est le même quasar HS 0810+2554, dont la lumière a traversé une lentille gravitationnelle — une galaxie massive au premier plan.

Les ondes gravitationnelles issues de la fusion de trous noirs résonnent comme des accords de basse, les pulsars marquent le rythme, et le rayonnement fossile nous parvient comme un écho du Big Bang. Mais il y a un acteur silencieux — la matière noire, dont la présence n'est révélée que par ses effets gravitationnels.

Le modèle standard de la cosmologie, qui s'appuie sur les équations d'Einstein proposées par Albert Einstein, décrit l'Univers comme un cocktail de matière noire (découverte grâce à Vera Rubin) et d'énergie noire dans…

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 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.

Un mobile pour bébé : les figurines suspendues à des fils réagissent au moindre souffle d'air. De la même manière, les planètes sur des orbites très larges ne sont maintenues que par la gravité de leur étoile, et ressentent les moindres « courants d'air » gravitationnels.

Dans le placard de la cuisine, il y a un pot de sucre. Si on le secoue, les grains se répartissent presque uniformément — pas besoin de les disposer un à un avec une pince à épiler. C'est à peu près ainsi que de minuscules trous noirs ont pu apparaître dans les premiers instants après le Big Bang.

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.

Un caillou tombe dans un étang, et des cercles se propagent à la surface. Mais voilà qu'une des vagues, au lieu de s'éloigner, reste collée à un pli invisible de la surface et ne court que le long de celui-ci.

On peut imaginer l'Univers à ses débuts comme une foule qui se disperse après un concert. Dans le modèle cosmologique standard ΛCDM, les gens errent en silence, sans se gêner. Mais que se passerait-il si des milliers de spectateurs se mettaient soudain à pousser légèrement leurs voisins ?

Une étoile à neutrons est une lentille gravitationnelle qui focalise nos tentatives d'apercevoir la matière noire. À travers sa matière ultra-dense, comme à travers un verre exotique, nous cherchons l'axion — une particule insaisissable capable d'expliquer la masse cachée de l'Univers.

Une pierre jetée dans l'eau laisse des ronds. Un satellite en orbite autour de la Terre laisse aussi une trace — non pas sur l'eau, mais dans les lois de la physique. Son orbite n'est pas une ligne figée : elle pivote lentement, comme l'aiguille d'une horloge géante.

Dans une pièce sombre, une perle de verre de la taille d'un grain de poussière est suspendue dans un faisceau laser. En dessous, deux miroirs : l'un en aluminium, l'autre en argent.

De minuscules balles invisibles traversent le Soleil de part en part, sans presque remarquer sa matière. Ce sont les axions — des particules hypothétiques si légères et insaisissables qu'on les compare à des fantômes.

Dans l'accélérateur SuperKEKB, des électrons entrent en collision avec des positrons — et parmi les débris, on trouve des mésons B. Ces particules lourdes vivent peu de temps et se désintègrent en particules plus légères.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers était un chaudron bouillonnant. Mais ensuite, selon cette nouvelle hypothèse, il a brutalement refroidi pendant un court instant — bien plus que ce que l'on pensait auparavant.

Au tout début, quelques instants après le Big Bang, l'Univers était d'une symétrie presque risible : il y avait autant de particules que d'antiparticules. Mais un déséquilibre s'est produit, minuscule comme un grain de sable en trop dans un kilo de sucre, et tout le monde qui nous est familier — étoiles, planètes, êtres humains — est né de cet excès.

Tout a commencé avec une infime concentration qui s'est développée plus vite que la lumière ne pouvait en faire le tour. À l'intérieur de cette bulle en expansion – notre futur Univers – régnait une chaleur inimaginable.

En 1987, les astronomes ont observé l'éclat d'une supernova dans une galaxie voisine, le Grand Nuage de Magellan. Ce fut un cadeau rare : l'explosion était assez proche pour capturer non seulement la lumière, mais aussi les neutrinos (des particules quasi insaisissables qui traversent la Terre de part en part).

Un cristal plat d'atomes chargés, suspendus dans un piège électromagnétique, fonctionne comme un étang parfaitement lisse. Le moindre souffle – et des rides parcourent sa surface.

Le nuage d'Oort est un essaim sphérique de milliards de corps glacés situé à la limite du Système solaire, à environ une année-lumière du Soleil. Ces objets sont presque immobiles les uns par rapport aux autres, jusqu'à ce qu'une perturbation gravitationnelle vienne troubler leur repos.

Dans une galaxie lointaine, à une distance que la lumière met 11 milliards d'années à parcourir, quelque chose a brillé. Le télescope à rayons X Einstein Probe a détecté un sursaut bref, comme une piqûre d'aiguille — il n'a duré que quelques dizaines de secondes.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers n'était ni vide ni silencieux : il était rempli de plasma brûlant, de particules et de champs magnétiques. Parmi ces particules, il y avait peut-être des axions – de légères particules quasi insaisissables, candidates à la matière noire.

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.

Un minuscule supraconducteur en lévitation au-dessus d'un aimant, c'est comme un bouchon à la surface d'un océan invisible. Le moindre souffle de matière noire le fait frémir. Les scientifiques ont envisagé deux types de ce « vent ».

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 une mine sombre sous les Alpes italiennes, une cuve contient trois tonnes de xénon liquide. Lorsqu'une particule y pénètre, elle arrache aux atomes de faibles flashs de lumière et des nuages d'électrons.

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.

Le qubit, cellule de calcul d'un ordinateur quantique, ne vit que quelques fractions de milliseconde avant d'oublier son état.

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.