femtomètre

À l'intérieur du noyau atomique, les protons et les neutrons ne restent pas en place comme des petits pois dans une boîte. Chaque particule occupe sa propre orbite – une région de l'espace où on peut la détecter. Plus l'orbite est grande, plus la particule est « étalée ».

Un faisceau d'électrons est un flux de particules minuscules qui portent une charge électrique. Lorsqu'un tel faisceau frappe un matériau, il ne se contente pas de le chauffer ou d'en éjecter des atomes : il pousse aussi légèrement la surface, comme un jet d'eau pousse la paume de la main.

Le neutron est l'une des particules les plus neutres de la nature. Mais si l'on ajoute aux lois de la physique un paramètre particulier (appelé terme thêta du modèle standard), un infime déséquilibre de charge apparaît à l'intérieur du neutron. Un côté devient légèrement positif, l'autre légèrement négatif.

Une pierre tombe dans l'eau — et des cercles se propagent dans toutes les directions. Jetez une poignée de pierres d'un coup, et les cercles se superposent : on ne distingue plus qui a fait quoi. C'est à peu près ce à quoi ressemble un faisceau de neutrons arrivant sur un détecteur : une tache lumineuse, floutée par de nombreuses causes.

Le noyau atomique est rarement une sphère parfaite. Il ressemble plus souvent à un ballon légèrement déformé : la charge électrique y est répartie de manière inégale, et les protons peuvent se déplacer légèrement, créant un minuscule renflement « en forme de poire ».

Le télescope spatial James Webb a plongé dans une époque où l'expansion de l'Univers a étiré la lumière d'objets lointains vers le rouge, et a découvert une multitude de sources étranges : les « petits points rouges ».

Une clôture invisible barre le détroit. On ne peut ni l'escalader ni plonger en dessous : elle n'est pas faite d'acier, mais d'un flux de particules qui traversent la colonne d'eau. C'est ainsi que l'on peut décrire l'idée de détecter les sous-marins nucléaires grâce à leur émission d'antineutrinos.

Deux noyaux d'étain entrent en collision à environ les deux tiers de la vitesse de la lumière. Pendant un instant, un nuage chaud et dense se forme, d'où des protons s'échappent dans toutes les directions. Si l'on capture des paires de protons et que l'on mesure à quelle fréquence ils partent dans la même direction, on peut calculer la taille de ce nuage.

Les neutrinos sont les particules massives les plus répandues dans l'Univers. Ils nous traversent par milliards chaque seconde, mais ne laissent presque aucune trace. Leur attraction collective, bien que minuscule, peut influencer le mouvement de galaxies entières.

Le noyau d'uranium ressemble à un portefeuille bien rempli, fermé par deux moitiés qui s'emboîtent. Pour qu'il éclate et libère de l'énergie — c'est-à-dire pour que le noyau se divise — il faut franchir une barrière d'énergie. La hauteur de ce seuil détermine si la matière est stable ou prête à se désintégrer à tout moment.

Une immense sphère remplie de liquide s'illumine lorsqu'une particule insaisissable — un neutrino — la traverse. À l'intérieur, comme des lucioles sur un sapin de Noël, sont suspendus des milliers de tubes qui captent ces éclairs. Pour savoir précisément où la lumière a brillé et quelle énergie est arrivée, il faut connaître la position de chaque tube au millimètre près.

Une lumière polarisée circulairement tombe sur un proton. La particule peut absorber le photon ou le repousser, selon l'orientation de son propre spin, cette petite toupie interne.

Un ordinateur quantique à atomes neutres ressemble à une bibliothèque où les livres doivent non seulement être lus, mais aussi rapidement remis en rayon. Une lecture lente du résultat, c'est comme un bibliothécaire lent qui retarde toute la file d'attente. Des scientifiques ont trouvé un moyen d'accélérer ce processus en ajoutant des assistants.

Les neutrinos sont de minuscules particules qui traversent la planète comme la lumière traverse une vitre. Chaque seconde, des milliards de ces particules traversent l'ongle de votre petit doigt, mais en attraper ne serait-ce qu'une est un véritable défi.

À l'intérieur d'un fil de polymère ultrafin se trouvent des cristaux microscopiques, des scintillateurs. Lorsqu'une particule radioactive invisible les frappe, ils s'illuminent brièvement, comme des lucioles. Un capteur sensible capte chaque flash, transformant le fil en détecteur flexible.

L'Univers est une toile immense faite de matière noire invisible et de galaxies, tendue par l'expansion de l'espace. Les neutrinos, ces particules fantômes presque insaisissables, s'accrochent à peine aux fils, mais leur masse totale modifie imperceptiblement la tension de tout le réseau.

Le noyau atomique n'est pas simplement une boule de protons et de neutrons. À l'intérieur, comme dans un minuscule aimant, il possède sa propre distribution d'aimantation. Jusqu'à présent, il était difficile de l'observer : les noyaux vivent des fractions de seconde à peine, et leur champ magnétique est faible.

Dans le futur détecteur de neutrinos, il y aura des millions de minuscules cubes de plastique, chacun de la taille d'un dé à jouer. Ils s'illuminent lorsqu'une particule fantôme les traverse, et cette lueur doit être captée et mesurée. Mais si un cube est tordu, présente une bavure ou un trou mal placé, le signal sera faussé et le détecteur se mettra à mentir.

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.

Un douanier ne peut pas démonter une valise pour savoir ce qu'elle contient. Il la passe aux rayons X et, grâce aux ombres sur l'écran, comprend : voilà du métal, voilà de la matière organique. De la même manière, un inspecteur des futurs traités de désarmement nucléaire devra vérifier une ogive — sans l'ouvrir et sans voir son contenu secret.

Le proton n'est pas une boule pleine. Sa charge, sa masse et d'autres propriétés sont réparties dans l'espace de manières différentes, et chaque propriété a son propre rayon. Les physiciens savent depuis longtemps mesurer où se concentre la charge du proton et où se trouve sa masse.

Lorsque le faisceau de protons pénètre dans le corps du patient, il est ralenti et génère un flux de neutrons — comme un caillou jeté dans l'eau projette des éclaboussures. Grâce à ces neutrons, les médecins vérifient à quelle profondeur les protons se sont arrêtés, afin que l'irradiation atteigne précisément la tumeur et non les tissus sains.

Les neutrinos sont les particules connues les plus insaisissables. Chaque seconde, des milliards de milliards de neutrinos provenant du Soleil traversent votre corps sans que vous vous en aperceviez : ils interagissent à peine avec la matière.

La théorie de la gravité d'Einstein — la relativité générale — ne rencontre presque jamais la physique quantique dans des expériences directes. Ici, les scientifiques ont construit sur une table un labyrinthe de 50 km de verre et y ont envoyé des photons uniques.