dysprosium

Un chasseur tend des collets dans la forêt. Il connaît les habitudes de l'animal, mais ne sait pas s'il se fera prendre. C'est à peu près ainsi que les physiciens installent des détecteurs pour tenter de capturer les particules de matière noire — cette substance invisible qui, pense-t-on, constitue une grande partie de la masse de l'Univers.

Le rayon de l'étoile chute de mille kilomètres. Non pas parce que sa masse a augmenté, mais parce que son propre champ magnétique a comprimé la croûte, tel un corset invisible.

264 kilomètres par seconde : c'est à cette vitesse que le Système solaire traverse le nuage de matière noire. Son existence a été révélée par les galaxies : elles tournaient trop vite pour que la masse visible les retienne, et Vera Rubin fut la première à soupçonner une charpente cachée.

Deux cent quatre-vingt-neuf jours — c'est la durée d'une rotation de la naine blanche WD 1532+129. Ce n'est pas qu'un simple record : à sa surface, près des pôles magnétiques, apparaissent des cicatrices de fer et d'autres métaux — des témoins silencieux des planètes qu'elle a englouties.

Un phare en pleine mer ne tourne pas seulement : sa lampe elle-même tantôt faiblit, tantôt s'intensifie. C'est à peu près le comportement des naines blanches magnétiques, ces vestiges ultra-denses d'étoiles semblables à notre Soleil.

Un diapason frappé émet un son pur et durable. Mais si l'on secoue légèrement la fourche pendant qu'elle sonne, le son se met à trembler et s'éteint rapidement. C'est à peu près ce qui se passe avec les électrons dans n'importe quel morceau de matière. Les atomes du réseau ne restent jamais en place : les vibrations thermiques les font trembler continuellement.

Un ballon gonflable avec des lignes de champ magnétique dessinées au feutre : voilà un modèle simple du comportement d'un champ magnétique faible dans un univers en expansion. Tant que le ballon est petit, les lignes restent sagement sur le caoutchouc et ne gênent pas son étirement.

Une cuillère à café de matière d'étoile à neutrons pèse comme une montagne. Mais cette montagne pourrait avoir un jumeau invisible. Dans les profondeurs d'une étoile à neutrons, la matière ordinaire est compressée à des densités inimaginables. Là, les protons et les neutrons peuvent se dissoudre en une soupe de quarks.

Dans l'obscurité totale d'une chambre à vide flotte un minuscule aimant. Il ne touche pas les parois et ne perd presque pas d'énergie – un gardien idéal, prêt à capter la plus faible impulsion. C'est exactement le genre de gardien nécessaire pour la chasse aux axions.

Une boule de billard percute une autre. L'impact — et les boules s'écartent. Mais si le choc n'est pas brusque, mais très progressif, les boules rouleront simplement ensemble, sans rebondir. C'est à peu près ce qui se passe pour un atome lorsqu'une particule de matière noire le frappe.

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.

L'histoire commence par une perplexité : dans les années 1930, Fritz Zwicky remarque que les amas de galaxies se comportent comme s'ils recelaient une immense masse invisible. Un demi-siècle plus tard, Vera Rubin confirme : les étoiles aux confins des galaxies tournent trop vite pour être retenues par la seule matière visible.

Au plus profond du sol au Japon se trouve un immense réservoir rempli d'eau ultrapure. Il attend de rares visiteurs : les neutrinos, arrivant des explosions d'étoiles lointaines. Ces visiteurs sont si rares qu'au fil des années d'observation, l'appareil Super-Kamiokande n'enregistre que quelques événements.

Un épais élastique en caoutchouc est tordu de plus en plus fort. À un moment donné, il n'y tient plus — il se rompt et fouette l'air, libérant l'énergie accumulée. C'est à peu près ce qui se passe avec les champs magnétiques à l'intérieur des étoiles à neutrons — ces résidus ultra-denses d'étoiles explosées.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers était une soupe bouillonnante de particules élémentaires. Même les neutrinos légers entraient alors en collision avec tout ce qui se présentait.

La matière noire échappe toujours à l'observation directe, bien que sa gravité maintienne les galaxies ensemble. Une des hypothèses : elle serait constituée d'axions, des particules très légères prédites par la théorie du modèle standard.

Si vous jetez une poignée de pièces sur une table, elles retombent en désordre. Mais dans certains cristaux, les atomes s'organisent en un motif rappelant un panier tressé — le réseau kagomé. Dans le métal MgMn₆Sn₆, ce sont les atomes de manganèse qui forment ce réseau, et à température ambiante, ils se comportent comme de minuscules aiguilles magnétiques.

La matière noire est invisible, mais sa gravité régit le mouvement des galaxies. De quoi est-elle composée ? C'est une énigme. Une idée : ce sont des particules ultra-légères, semblables aux axions.

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.

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.

Le cristal Co2SeO3Cl2 ressemble à un gâteau en couches, où chaque couche est un réseau en nid d'abeille incurvé d'atomes de cobalt. Lors du refroidissement jusqu'à 25,4 K (−247,75 °C), les moments magnétiques des atomes commencent à s'aligner, comme des aiguilles de boussole, mais pas tous d'un coup : en quatre étapes, à 25,4, 16,8, 11 et 3 K.

Le cristal de phosphate de lithium-cobalt ressemble à un échiquier dont les cases noires et blanches sont des régions où les moments magnétiques des ions cobalt pointent dans des directions opposées.

Le noyau de deutérium est comme une toupie. Si les charges à l'intérieur sont réparties de manière inégale, la toupie s'incline dans un champ électrique. Cette infime asymétrie est appelée moment dipolaire électrique.

Un aimant qui s'empile comme une pile de crêpes : c'est ainsi que l'on peut décrire le CrSBr. À basse température, chaque couche est aimantée, mais les couches voisines pointent dans des directions opposées, et leurs champs magnétiques s'annulent mutuellement.

Une balle qui ne perce pas une seule cible, mais laisse des traces dans plusieurs couches de blindage. C'est à peu près ainsi que se comporte la matière noire super-lourde, recherchée pour la première fois dans le détecteur DarkSide-50.

Un minuscule aimant composé de couches de soufre, de chrome et de brome repose sur la platine d'un microscope. À l'intérieur, tels des invités imprévus, se trouvent des atomes d'erbium, un métal des terres rares. Ces atomes peuvent émettre de la lumière lorsqu'on les éclaire avec un laser, et leur lumière révèle ce qui se passe autour d'eux.

Lorsqu'on refroidit le cristal Fe₄Nb₂O₉ à -272°C, il adopte un motif magnétique où les aiguilles atomiques ne s'alignent pas en rangées, mais s'évasent en éventail. C'est comme si une foule se figeait, chacun regardant dans une direction différente au lieu de fixer la nuque de son voisin.

Du plomb antique, resté deux mille ans au fond de la mer, est devenu le cœur d'un détecteur qui traque la substance la plus insaisissable de l'Univers. On en a fait croître un cristal transparent de tungstate de plomb de 13 grammes, refroidi presque au zéro absolu.

Les électrons dans un métal, c'est un peu comme la foule dans le métro : chacun vaque à ses occupations, mais à la moindre poussée, tout le monde bouge d'un coup. Cette oscillation collective du gaz électronique, les physiciens l'appellent un plasmon.

Le laser à rayons X LCLS-II, en Californie, émet de brèves impulsions puissantes, comme un stroboscope en boîte de nuit. Entre les impulsions, il reste des pauses sombres d'une durée de 26,9 nanosecondes (milliards de seconde).

La matière noire est cinq fois plus massive que la matière ordinaire, mais elle n'émet pas de lumière. Sa nature est inconnue. L'un des candidats est constitué de particules ultra-légères : les axions. Ils peuvent traverser la planète de part en part, sans presque remarquer les atomes.

L'énigme de la matière noire a été étudiée par Fritz Zwicky et Vera Rubin. Pendant longtemps, on se la représentait comme un échafaudage froid et inerte, qui ne faisait que maintenir les galaxies ensemble.

Un aimant de frigo tient grâce à de minuscules aiguilles internes, chacune comme une boussole miniature. Si l'on frappe le métal avec une impulsion lumineuse ultra-courte, ces aiguilles se mettent à tournoyer de manière chaotique, et le magnétisme fond en un millionième de milliardième de seconde. Autrefois, une telle « fonte » était trop rapide pour être observée.

La matière noire est invisible, mais c'est elle qui, selon les calculs, maintient les galaxies ensemble. Capturer ses particules, c'est un peu comme essayer d'entendre un murmure dans une pièce bruyante. Il faut un matériau qui réagisse de manière forte et visible à la moindre impulsion.

Les minuscules aiguilles magnétiques à l'intérieur d'un cristal d'oxyde de terbium et d'iridium se comportent étrangement : au lieu de s'aligner le long de leur axe préféré, elles se placent perpendiculairement. Cet état se forme complètement lors du refroidissement à 1,5 kelvin — une température plus froide que celle de l'espace interstellaire.

Dans les années 1930, Fritz Zwicky, en observant l'amas de la Chevelure de Bérénice, a remarqué des vitesses anormalement élevées des galaxies : leur mouvement indiquait la présence d'une immense masse cachée, liant gravitationnellement le système.

Il y a cent ans, les observatoires magnétiques n'enregistraient que les lentes respirations du noyau terrestre. Aujourd'hui, leurs données deviennent un terrain de chasse pour la physique des particules.

La température de la pièce baisse de quelques degrés pendant que le réfrigérateur fonctionne sans le moindre compresseur en mouvement. À l'intérieur, pas de fréon, mais un morceau de métal que l'on aimante et désaimante tour à tour.