énergie de collision

Dans le nuage froid TMC-1, où la température ne dépasse pas dix degrés au-dessus du zéro absolu, les molécules se rencontrent rarement. Mais de temps en temps, un atome d'hélium les traverse, et ce bref contact suffit pour que la molécule modifie sa rotation.

Le cristal d'oxyde de cuivre ressemble à un petit caillou rouge sombre. Mais dès qu'une impulsion laser brève l'atteint, des paires naissent à l'intérieur : un électron et un « trou » — l'endroit où manque un électron.

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.

Au centre d'une galaxie lointaine, où tourne un trou noir supermassif d'une masse de cent millions de soleils, l'espace est parcouru de champs magnétiques.

2.1 × 10⁻⁹ — c'est à peu près l'écart de température observé sur le ciel, comme si l'on mesurait, à la surface de l'océan, des ondulations hautes d'une fraction de millimètre. Cette infime inhomogénéité est gravée dans le fond diffus cosmologique et raconte les tout premiers instants.

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.

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.

Si vous plongez deux thermomètres identiques dans une casserole d'eau chaude, ils affichent la même valeur — et nous sommes rassurés : la température est bien mesurée. Mais dans un gaz raréfié chauffé à des millions de degrés, cette astuce ne fonctionne plus.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 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 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.

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.

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.

Au Grand collisionneur de hadrons, on fait entrer en collision des protons avec des noyaux de plomb. Au moment de l'impact, des centaines de nouvelles particules naissent, et certaines s'échappent en faisceaux étroits — les gerbes.

Dans les premiers instants qui suivent la collision de deux noyaux de plomb au Grand collisionneur de hadrons, une minuscule boule de feu naît : une soupe de quarks où les particules se déplacent librement.

Au Grand collisionneur de hadrons, on ne fait pas seulement entrer en collision des protons, mais aussi des noyaux entiers d'atomes.

Lorsque deux protons entrent en collision à une vitesse énorme, un faisceau étroit de particules jaillit du point d'impact — un jet, semblable aux éclaboussures d'une pierre jetée dans l'eau. Dans les collisions de noyaux lourds de plomb, tout est plus complexe : un nuage chaud se forme à l'intérieur, qui gêne la trajectoire du jet.

Dans le détecteur ATLAS du Grand collisionneur de hadrons, les protons entrent en collision des milliards de fois par seconde. Parmi ce flux, les physiciens ont repêché huit événements où, après l'impact, sont nées simultanément deux particules Z et un photon.

Dans l'immense accélérateur de particules, où des protons lancés à une vitesse proche de celle de la lumière percutent une cible de néon, naissent des baryons charmés — des particules qui vivent moins d'un milliardième de seconde.

Quand un proton percute un noyau de plomb au Grand collisionneur de hadrons, un essaim de particules naît. Elles se dispersent dans toutes les directions, mais pas tout à fait au hasard : leur mouvement évoque les ondulations à la surface de l'eau après qu'on y a jeté une pierre. Les physiciens appellent cette dispersion ordonnée un « flux ».

La matière noire est invisible, mais on peut la surprendre au rebond. L'hydrogène intégré dans un film de carbone agit comme une boule de billard : lorsqu'une particule de matière noire le percute, le proton s'échappe. Cette éjection est précisément le signal recherché.

Le quark top est la plus lourde des briques connues de la matière, mais la théorie prédit l'existence d'un jumeau discret, le quark T, qui pourrait être plusieurs fois plus massif. Pour le faire apparaître, les physiciens font entrer en collision des protons avec des muons, des cousins instables de l'électron.

Au Grand collisionneur de hadrons, les physiciens accélèrent des protons à une vitesse proche de celle de la lumière et les font entrer en collision.