collaboration CMS

Le faisceau d'antiprotons frappe la plaque, et chaque impact se disperse en une gerbe de particules chargées. Dans l'expérience GBAR au CERN, ce phénomène est observé non pas avec un détecteur complexe, mais avec une caméra industrielle ordinaire sans objectif, plaquée contre la fenêtre à vide depuis l'extérieur.

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.

Le radiotélescope FAST, avec son antenne de cinq cents mètres, a capté un signal sur une longueur d'onde de 21 centimètres – c'est ainsi que l'hydrogène froid émet. Le signal provenait d'un nuage baptisé Cloud-9. Il flotte dans l'espace à côté de la galaxie M94, mais ne renferme pas une seule étoile.

Dans les collisions de protons au Grand collisionneur de hadrons, il arrive que naissent non pas un Higgs, mais deux à la fois. La fréquence de ces événements est l'empreinte directe de la façon dont le champ de Higgs interagit avec lui-même.

Le boson de Higgs ressemble à un diapason qui émet une note bien précise. Mais les physiciens ont appris à l'entendre même lorsque la note est faussée, dans la région dite « hors résonance ». C'est là, dans les données du détecteur CMS, que se cachaient les réponses aux questions sur la véritable nature du mécanisme de Higgs.

Dans l'anneau de 21 kilomètres de Protvino, près de Moscou, on projetait autrefois d'accélérer des protons. Aujourd'hui, le même tube pourrait accueillir une machine bien différente : un collisionneur de muons. Le muon est un cousin lourd de l'électron, et c'est là sa force.

17 minutes — c'est le rythme auquel bat le cœur de AM Canes Venatici, donnant le tempo à toute la classe des binaires ultra-compactes. Dans ces systèmes, deux naines blanches tournent dans une danse mortelle, resserrant leur orbite sous le murmure encore inaudible des ondes gravitationnelles.

À la fin des années 1990, le ciel étoilé a réservé une surprise : Saul Perlmutter et Adam Riess ont découvert que l'expansion de l'univers s'accélère.

Chaque seconde, environ une centaine de particules invisibles traversent notre corps : les muons. Ils naissent haut dans le ciel, lorsque les rayons cosmiques percutent les atomes de l'air, et pleuvent sur la Terre.

Glace, eau, vapeur — des transitions de phase que tout le monde connaît. Mais que se passe-t-il si l'on comprime et chauffe le noyau de l'atome lui-même ? Les théoriciens pensent que les protons et les neutrons qu'il contient « fondent », libérant des briques plus petites — les quarks et les gluons.

Au cœur du détecteur du Grand collisionneur de hadrons, des protons entrent en collision et, pendant un bref instant, quelque chose de lourd naît.

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.

Imaginez l'Univers primordial comme un ballon géant gonflé presque instantanément à des proportions inimaginables. Les petites irrégularités à sa surface sont des ondulations quantiques figées, devenues les amas de galaxies.

Deux faisceaux d'une luminosité éblouissante se percutent frontalement. Au point de rencontre, une particule naît l'espace d'un instant : celle-là même qui est responsable de la masse de tout ce qui existe. C'est le boson de Higgs.

Dans le cocon de gaz dense qui entoure une jeune étoile massive, des flux de matière se heurtent comme dans un gigantesque ballon chimique. L'un se déplace par rapport à nous à environ 11 kilomètres par seconde, l'autre à environ 5.

Deux horloges affichent des heures différentes. L'une est sur notre table, l'autre est loin dans le passé, dans la lueur laissée par le Big Bang. La première, en observant les galaxies proches, mesure la vitesse d'expansion de l'Univers – environ 73 kilomètres par seconde par mégaparsec.

Au Grand collisionneur de hadrons, les protons entrent en collision des milliards de fois par seconde, et une seule fois sur un trillion de collisions, une paire de bosons de Higgs modèle standard (les particules responsables de la masse de tout ce qui existe) est produite.

Au cœur même de la Voie lactée, quelque chose émet continuellement une lueur gamma. Cette lumière est particulière : son énergie est exactement de 511 000 électronvolts. Une telle énergie apparaît lorsqu'un électron rencontre son antiparticule, le positron, et que les deux s'annihilent en laissant une bouffée de lumière.

Le boson de Higgs est comme un chef d'orchestre qui donne leur masse à toutes les autres particules. Sans lui, les électrons seraient sans masse et les atomes se désintégreraient. Mais comment le chef d'orchestre interagit-il avec lui-même ? C'est la question centrale à laquelle le futur collisionneur de muons devra répondre.

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 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.

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.

Au Grand collisionneur de hadrons, des protons entrent en collision et des dizaines de particules naissent de l'éclair. Parmi elles peuvent se trouver les traces de processus rares – par exemple, la désintégration du boson de Higgs en deux bosons W.

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.

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.

La collision de deux noyaux de plomb au Grand collisionneur de hadrons, c'est comme se lancer deux lourds sacs de billes. En général, les billes s'éparpillent dans tous les sens, mais parfois un sac passe si près que les billes ne se heurtent pas, mais échangent seulement des regards.

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.

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.

Deux astronomes regardent le même Univers, mais ils le voient différemment. L'un mesure la vitesse d'expansion à partir de la lumière ancienne qui a voyagé vers nous pendant près de 14 milliards d'années. L'autre, à partir d'explosions d'étoiles récentes dans les galaxies voisines.

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.

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.

Dans un accélérateur de particules, les noyaux se brisent en fragments, comme une tasse en porcelaine qui tombe. Chaque fragment traverse des plaques de silicium qui enregistrent l'impact et sa force. Mais pour distinguer un vrai signal du bruit aléatoire, il faut fixer un seuil : en dessous de ce seuil, les lectures sont considérées comme du bruit.

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.

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.

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.