BESIII

Au fond de la montagne, là où l'épaisseur de la roche étouffe les muons des rayons cosmiques, se dresse un détecteur qui ne capte pas la lumière, mais son absence. Le positronium est un atome minuscule, où un électron et son antiparticule, le positron, tournent l'un autour de l'autre comme un couple de danseurs.

Le silicium-25 ne vit que 219 millisecondes. Pendant ce temps, il émet une particule bêta, puis parfois un proton. Ce sont précisément ces protons, éjectés du noyau après la désintégration bêta, qui sont devenus l'étalon de calibration pour un nouveau microscope que les physiciens ont assemblé sur l'accélérateur FRIB.

Pendant trois jours d'affilée, un laser a frappé un jet de gaz, et à chaque seconde naissait un faisceau d'électrons avec une énergie comparable à celle d'un petit éclair. Auparavant, de tels faisceaux n'étaient obtenus que dans d'immenses halls, où l'accélérateur occupait tout un bâtiment. Désormais, l'ensemble tient dans une pièce et a fonctionné sans défaillance pendant 72 heures.

L'archéologue retire délicatement couche après couche, et chaque nouveau niveau sur le site de fouille du charmonium est une désintégration rare capturée par le détecteur.

Lorsque la particule ψ(2S) se désintègre en un proton et un antiproton, deux mécanismes différents agissent simultanément : l'interaction forte, comme une colle qui maintient les quarks ensemble, et l'interaction électromagnétique, comme la lumière qui repousse les charges.

L'atome d'hélium est comme une corde tendue : chaque note qu'il émet est strictement prédite par la théorie. Mais ces dernières années, des mesures précises de l'une de ces « notes » — l'énergie nécessaire pour arracher un électron à un atome d'hélium excité — ont commencé à sonner légèrement plus haut que prévu.

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.

Pendant longtemps, les astronomes ont cherché les « usines » des rayons cosmiques les plus énergétiques, ces particules qui portent en elles le macrocosme compressé à l'échelle du noyau atomique. Les suspects étaient les colossales régions de formation d'étoiles comme Cygnus OB2, où les vents des jeunes géantes entrent en collision.

Le lepton tau est une particule à vie courte, un lourd cousin de l'électron. Lorsqu'il se désintègre, ses quarks échangent des gluons, un peu comme des joueurs dans une pièce fermée se renvoient un ballon. On ne voit pas les passes elles-mêmes, seulement le score final : deux pions qui s'éloignent sous certains angles.

Une casserole d'eau bout toujours de la même manière : cent degrés, et les bulles apparaissent. Avec les liquides quantiques, c'est différent. Lorsqu'un nuage d'atomes est refroidi presque jusqu'au zéro absolu, il peut se transformer en une onde de matière unique — le condensat de Bose-Einstein.

Une gare bruyante à l'heure de pointe. Des milliers de personnes se pressent, les voix se fondent en un bourdonnement. Et quelque part dans cette foule, deux personnes tentent de se serrer la main d'une manière particulière, à peine perceptible. Repérer une telle poignée de main est presque impossible.

Le feu d'artifice éclate, et un point se disperse en quatre étincelles. C'est un peu ce que fait le boson Z — la particule qui porte l'interaction faible — lorsqu'il se désintègre en quatre leptons chargés (électrons ou muons). Le processus est extrêmement rare : sur un million de naissances de bosons Z, on n'observe qu'environ cinq événements de ce type.

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.

Une pièce qui retombe sur sa tranche : c'est à peu près aussi rare que la désintégration d'un méson B lourd en un pion léger et une paire électron-positron. En une décennie de fonctionnement du collisionneur, seules quelques poignées de tels événements ont été accumulées, mais les physiciens ont enfin pu les distinguer.

Une goutte d'eau dans un champ électrique intense s'allonge. Le noyau de deutérium — une paire liée de proton et de neutron — se comporte de la même manière, sauf que le champ est ici créé par un photon gamma qui passe, et au lieu de s'étirer, le noyau peut tout simplement se briser.

Dans le détecteur LHCb, où des protons entrent en collision, une trace inhabituelle a été trouvée parmi des milliards de désintégrations. La particule, nommée $$D_{s1}$$(2933)^+, apparaît un instant puis se désintègre aussitôt en d'autres particules.

Dans le détecteur CMS du Grand collisionneur de hadrons, des protons accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière sont entrés en collision.

Les quarks sont de minuscules briques qui composent les protons et les neutrons. D'habitude, ils vont par paires : une particule et son double miroir, l'antiparticule. Mais parfois, les quarks forment des combinaisons plus étranges, que les physiciens appellent exotiques.

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.

Entre 2016 et 2018, au Grand collisionneur de hadrons du CERN, des protons entraient en collision avec une énergie de 13 téraélectronvolts — comme si deux petits pois étaient accélérés à des vitesses telles que leur impact engendre tout un essaim de nouvelles particules.

Chaque seconde, des milliards de désintégrations se produisent dans nos corps, mais personne ne le remarque. Les physiciens, eux, le remarquent : ils font entrer en collision des particules dans des accélérateurs et observent en quels fragments elles se dispersent. Dans ces fragments se cache la réponse à la question de savoir pourquoi nous existons.

Une balance avec des poids identiques, mais un plateau qui penche toujours. Dans le monde des particules élémentaires, ce déséquilibre s'appelle la violation de la symétrie CP : les particules et leurs jumeaux miroirs (les antiparticules) se comportent très légèrement différemment.

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.

Dans l'accélérateur situé près de Pékin, des électrons entrent en collision avec des positrons, et pendant un instant naissent des particules que l'on ne rencontre pas dans la matière ordinaire. L'une d'elles est la lambda-c-plus : elle contient un quark charmé lourd, comme une pierre dans une fronde.

Lors de collisions de protons au Grand collisionneur de hadrons, les physiciens ont pour la première fois capturé une particule à deux quarks charmés. Elle s'appelle Ξcc+ (prononcé « ksi-ksi-plus ») et ressemble à une perle avec non pas un, mais deux noyaux lourds.

La particule J/psi ne vit qu'un instant, puis se désintègre en particules plus légères, comme une corde qui se brise et se fragmente en morceaux. Les physiciens de la collaboration BESIII ont capté plus de dix milliards de ces désintégrations pour comprendre quels « morceaux » sont produits.

Lorsqu'un boson W (la particule médiatrice de l'interaction faible) se désintègre en un quark et un antiquark, à la vitesse vertigineuse du collisionneur, ces deux fragments volent presque dans la même direction.

À l'intérieur du proton et du neutron, la vie bouillonne : les quarks échangent des gluons, et des paires de particules surgissent brièvement avant de disparaître. Certaines d'entre elles, appelées mésons scalaires, ne vivent que 10⁻²³ seconde — moins de temps qu'il n'en faut à la lumière pour traverser un noyau atomique.

En 2010, des physiciens du Grand collisionneur de hadrons ont pour la première fois produit un plasma de quarks et de gluons — un état de la matière dans lequel les quarks et les gluons sont libres, comme l'eau dans la vapeur, et non confinés à l'intérieur des protons et des neutrons.

Une minuscule particule fantôme traverse un morceau de germanium. En général, elle ne laisse aucune trace, mais parfois, telle une boule de billard, elle heurte le noyau d'un atome. Le noyau recule, et cette impulsion peut être détectée. À Oak Ridge, au laboratoire national, le détecteur Ge-Mini a capté de tels reculs pendant deux ans.

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.

Une minuscule sphère de verre flotte dans un faisceau laser, comme un grain de poussière dans la lumière du soleil. À l'intérieur, du plomb radioactif se désintègre de temps en temps. Chaque désintégration éjecte des particules chargées, et la sphère perd ou gagne une infime charge électrique.

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.

En 2017, au Grand collisionneur de hadrons, des protons sont entrés en collision à une énergie de 5,02 TeV.

Les nuages d'hydrogène lumineux dans d'autres galaxies ressemblent à une éponge : le gaz n'occupe qu'une petite partie du volume, le reste étant presque vide. Pendant longtemps, les astronomes ne pouvaient que deviner à quel point ces nébuleuses sont « trouées ». Aujourd'hui, une équipe de scientifiques propose une méthode pour le mesurer.

Titan, la plus grande lune de Saturne, est enveloppé d'une épaisse brume orangée. Elle est composée d'hydrocarbures et d'autres molécules organiques qui naissent lorsque la lumière solaire décompose le méthane et l'azote dans les couches supérieures de l'atmosphère.

Lorsqu'un proton rapide percute un noyau atomique, de nouvelles particules naissent pendant un instant. L'une d'elles est le méson phi : un amas de matière éphémère qui se désintègre en une paire électron-positron.

Dans l'accélérateur circulaire, les électrons sont accélérés jusqu'à une vitesse proche de celle de la lumière et percutent des positrons, leurs antiparticules. Au point de rencontre, un amas d'énergie pure surgit brièvement, d'où naissent de nouvelles particules. Le détecteur BESIII, telle une caméra à haute vitesse, capture les traces de ces invités éphémères.

La collision d'un électron et d'un positon sur le collisionneur BESIII produit une particule à courte durée de vie : le baryon charmé Λc+. À l'intérieur de celui-ci, comme dans une boîte trop pleine, une autre particule naît rapidement : l'hyperon Λ.

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.