détecteur 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.

Imaginez un tapis roulant sur lequel défilent 30 millions de colis chaque seconde, et un contrôleur qui doit décider instantanément de leur contenu : précieux ou déchet.

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.

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.

Des cellules de vaisseau sanguin ont été ensemencées sur une membrane transparente de 700 nanomètres d'épaisseur — cent fois plus fine qu'un cheveu humain. Sous la membrane se cachent des électrodes plates.

Un radar ordinaire évoque un micro dans une foule bruyante : les sons individuels se fondent en une bouillie. PiVoT agit comme un chef d'orchestre qui, au milieu du chaos de l'accordage, reconnaît instantanément chaque instrument. Plutôt que d'énumérer des hypothèses, l'algorithme resserre une boucle autour des cibles les plus probables — voitures, cyclistes, piétons.

La matière noire — l'architecte invisible de l'Univers, qui empêche les galaxies de se disperser. Grâce à Fritz Zwicky et Vera Rubin, nous savons que la matière ordinaire dans le cosmos n'est qu'une infime impureté. Mais que se cache-t-il derrière cette matière noire ?

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.

Une petite pièce de monnaie tourne autour d'une lourde boule de bowling. La pièce, c'est un petit trou noir ou une étoile à neutrons, et la boule, c'est un trou noir supermassif au centre d'une galaxie.

Les noyaux atomiques ne ressemblent pas toujours à des boules de billard. Certains sont allongés comme des cigares, d'autres aplatis. Pour le xénon-129, la forme évoque une pomme de terre — un ellipsoïde triaxial bosselé.

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 minuscule bille de verre est suspendue dans un faisceau laser, comme une poussière dans un rayon de soleil. Autour d'elle, un gaz raréfié : des atomes de krypton, de xénon et de lourdes molécules d'hexafluorure de soufre.

Un nuage froid d'atomes ressemble à un essaim de lucioles qui se tirent les unes vers les autres. L'attraction entre les atomes tente de les rassembler en une boule compacte. Mais le frémissement quantique — le mouvement irréductible des particules — empêche la boule de s'effondrer. Lorsque l'attraction est forte, le nuage se fragmente en amas distincts.

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.

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.

Des protons accélérés à des énergies énormes percutent une épaisse plaque de métal — comme des balles contre une armure. À l'intérieur du métal naît brièvement une particule J/ψ, qui se désintègre aussitôt en deux muons — de légers cousins de l'électron. Ces muons s'échappent de la cible et les détecteurs capturent leurs traces.

Lors de la collision de noyaux lourds dans les accélérateurs, de nombreuses particules sont produites, et les physiciens veulent comprendre comment la charge électrique se déplace dans ce chaos. Deux trains entrent en collision : les passagers (les quarks) sont éjectés, mais leurs bagages (la charge) peuvent se retrouver loin du lieu de l'accident.

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.

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.

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.

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.

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.

Un transistor de puissance en carbure de silicium fonctionne sous une tension des milliers de fois supérieure à celle du secteur. Si le champ se répartit de manière inégale à l'intérieur, le composant grille. Auparavant, on ne pouvait pas voir ce champ : il est trop intense pour les capteurs ordinaires, et le composant doit rester sous tension.

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.

Deux jumeaux se ressemblent, mais l'un est gaucher et l'autre droitier. Dans le monde des particules élémentaires, il existe des paires similaires : Ξ- et son antiparticule Ξ+. Elles naissent ensemble lors de la désintégration de la particule J/ψ et, comme des jumeaux intriqués, restent liées même à distance.

Au laboratoire japonais KEK, des électrons et leurs antiparticules — les positrons — entrent en collision à l'intérieur du détecteur Belle II. Lors de ces collisions, de nouvelles particules naissent brièvement. Parmi elles, la J/ψ, un état lié d'un quark charmé et de son antiquark.

Dans l'accélérateur BEPCII, des électrons et des positrons entrent en collision, produisant des milliards de particules. Parmi elles, le méson J/ψ, qui vit moins d'un milliardième de seconde. Sa désintégration donne parfois naissance au méson êta (ηc), un amas de quarks encore plus éphémère.

En 2018, le Grand collisionneur de hadrons a mené une collecte de données particulière : le détecteur CMS a capté des collisions de protons à une vitesse effrénée pour accumuler dix milliards de particules contenant un quark beauté.

Dans l'obscurité, une minuscule étincelle jaillit. Un rayon gamma, né à l'intérieur du corps d'un patient, frappe un cristal et y libère une gerbe de lumière. La mission du détecteur : comprendre où exactement cela s'est produit. Plus la réponse est précise, plus l'image sur l'écran du tomographe est nette.

Dans un accélérateur à plasma, les particules sont accélérées comme des surfeurs sur une vague créée dans le plasma. Si le paquet principal et le paquet arrière ne volent pas sur la même ligne, une instabilité se développe et fait osciller le paquet arrière.

Dans un accélérateur de particules, l'anti-lambda est une invitée rare. Elle naît en plein vol, vit une fraction de seconde minuscule et se désintègre généralement d'elle-même. Mais parfois, elle a le temps de percuter un proton ordinaire – et alors tout un faisceau de particules légères naît : des kaons, des pions.

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 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.

Dans le détecteur LHCb du Grand collisionneur de hadrons, des protons entrent en collision et, pendant un bref instant, naissent des particules que l'on ne trouve pas dans la matière ordinaire. L'une d'elles est le méson B neutre.

Dans l'accélérateur de particules de Pékin, on fait entrer en collision des électrons et des positrons, et pendant un bref instant naît une particule appelée êta-psi. Elle vit une fraction infime de seconde puis se désintègre en d'autres particules. L'un des chemins les plus rares est de se séparer en deux photons, les particules de lumière.

Dans le détecteur BESIII, les particules jouent une pièce de théâtre : elles entrent en collision, naissent et se désintègrent, laissant des éclairs de lumière. Mais parfois, un acteur peut quitter la scène discrètement — par une porte dérobée que les caméras ne voient pas.