collisionneur électron-ion

Dans le puits qui mène au Grand collisionneur de hadrons, on veut installer un résident inhabituel : un tube vertical de cent mètres, à l'intérieur duquel tomberont des nuages d'atomes de strontium. Chaque nuage est refroidi à presque zéro absolu, pour que les atomes se déplacent lentement et de manière coordonnée, comme des danseurs au ralenti.

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.

Dans le silence absolu, il faut entendre tomber un duvet. Mais quelqu'un froisse sans cesse un sac en plastique. Pour l'observatoire spatiale LISA, ce « froissement » sera causé par les particules chargées venues de l'espace.

Dans les accélérateurs, en faisant entrer en collision des noyaux lourds, les physiciens créent brièvement un plasma de quarks et de gluons — un état de la matière où les quarks et les gluons ne sont pas confinés dans des particules, mais libres.

Le pendule le plus précis du monde n'est pas une tige d'acier, mais un minuscule noyau atomique. L'isotope thorium-229 possède un état excité particulier : pour y faire passer le noyau, il faut très peu d'énergie — environ celle d'un laser ultraviolet.

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.

Par une chaude après-midi, une chaleur étouffante pèse sur la ville, et pas un nuage à l'horizon. D'habitude, par un temps pareil, on ne peut qu'attendre que la nature se montre clémente et apporte un peu de fraîcheur. Et si l'on pouvait programmer l'ombre et la pluie comme on allume la lumière dans une pièce ?

Le modèle standard est un ensemble de règles décrivant toutes les particules connues. Mais il reste muet sur la matière noire, qui constitue un quart de l'Univers. Pour la trouver, pas besoin de construire des collisionneurs de la taille d'une ville.

Une casserole de soupe bouillante frémit, et on aimerait savoir à quel point chaque goutte est chaude à l'intérieur. Mais on ne peut plonger le thermomètre que sur le bord, là où ça bouillonne déjà moins.

Un détecteur rempli d'hélium-4 superfluide ressemble à un lac parfaitement calme. Le liquide ne clapote pas, ne bouillonne pas — il est figé dans un état quantique unique. Un visiteur invisible le traverse — une particule de matière noire. Elle-même n'émet pas de lumière et ne laisse aucune trace.

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.

Un réseau de neurones entraîné sur des collisions de protons et d'électrons a transféré ses compétences à une expérience totalement différente : la capture de neutrinos. Comme un cuisinier qui aurait appris la cuisine française puis, sans préparation, réussirait un excellent plov ouzbek.

Dans l'immense accélérateur, des particules se percutent, et parfois, après l'impact, il ne reste que deux photons – les particules de lumière. Les physiciens savent prédire la fréquence de ce phénomène, mais leurs calculs ne concordaient pas avec ce que voyaient les détecteurs.

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.

Le bleu est la couleur la plus capricieuse de tout écran. Pour l'obtenir, il faut dépenser beaucoup d'énergie, et la lumière obtenue est souvent terne. Les chimistes cherchent depuis longtemps des molécules capables d'émettre un bleu profond, intense et durable. Ils ont maintenant imaginé une nouvelle conception à base d'europium, un métal des terres rares qui sait produire une lumière bleue pure.

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.

La surface d'Europe est une armure de glace sans cesse mitraillée par des particules chargées provenant de la magnétosphère de Jupiter. Les électrons percutent le réseau cristallin de la glace, perdent de l'énergie et déclenchent des réactions chimiques.

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.

Un ordinateur quantique, c'est un peu comme un orchestre où chaque qubit est un musicien qui joue sa partition. Mais de temps en temps, un rayon cosmique fait irruption dans la salle, et le violoniste sursaute, perdant le rythme.

Dans un cristal d'oxyde de zinc se cache un duo quantique : un atome d'étain et un atome de lithium, assis côte à côte. Leur liaison est si étroite que l'électron capturé par cette paire semble vivre sur l'étain, le lithium ne faisant que jouer les accompagnateurs.

Dans un cristal de germanium ultrapur, refroidi presque au zéro absolu, un seul électron peut déclencher une avalanche de charges. Comme un petit caillou qui, se détachant d'une pente, entraîne un flot de neige.

Un détecteur de matière noire, c'est comme une pièce où l'on essaie d'entendre un chuchotement alors qu'à côté, un poste de radio crache des parasites. Ces parasites sont créés par les atomes de radon, un gaz radioactif qui s'infiltre depuis les matériaux et l'air.

Les accumulateurs modernes à électrolyte liquide peuvent fuir ou prendre feu. Les électrolytes polymères, solides comme du plastique, règlent ce problème, mais les ions s'y déplacent plus lentement, et la batterie perd de la puissance.

Les horloges atomiques ordinaires tiquent lorsqu'un électron saute entre des niveaux d'énergie. Mais les champs extérieurs et les chocs peuvent perturber ce rythme. Les ions hautement chargés — des atomes auxquels on a arraché de nombreux électrons — ne remarquent presque pas ces perturbations : leurs électrons sont profondément et solidement liés.

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 proton n'est pas une boule lisse, mais un enchevêtrement de particules plus petites en mouvement constant. Pour y voir à l'intérieur, les physiciens tirent des électrons sur le proton et observent comment ils rebondissent. Le nouvel instrument, le collisionneur électron-ion, fera cela avec une précision inédite.

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 d'un collisionneur, chaque collision de protons laisse une traînée de dizaines de particules, comme les éclaboussures d'une pierre jetée dans l'eau. Démêler ces éclaboussures et comprendre ce qui s'est passé au moment de l'impact est une tâche que l'humain ne peut plus accomplir seul.

Un catalyseur est une substance qui accélère une réaction chimique sans être consommée. Le meilleur catalyseur est celui où chaque atome de métal compte : plus les particules sont fines, plus il y a d'atomes en surface et plus le matériau est actif.

Dans le détecteur du Grand collisionneur de hadrons, après chaque collision de protons, il reste des milliers de points — les traces des particules qui s'éloignent. Un réseau de neurones a appris à voir des motifs dans cette configuration et à prédire ce qui s'est passé au moment de l'impact.

Au Jefferson Lab, des électrons sont accélérés jusqu'à 12 GeV et percutent des protons pour leur soutirer leurs secrets. Mais les détecteurs existants ressemblent à des appareils photo à champ étroit : soit on voit beaucoup mais de façon sombre, soit on voit net mais sur une toute petite zone.