fermilab

Régler un récepteur radio sur une station qui change de fréquence lorsqu'on franchit une frontière de phase : c'est ainsi qu'on peut se représenter la tâche des chercheurs.

Le cristal d'herbertsmithite, semblable à un gâteau en couches de cuivre et de bore, se comporte comme une échelle : les spins du cuivre sont alignés en deux lignes parallèles reliées par des barreaux.

Un aimant pesant quelques grains de sable flotte dans les airs sans aucun support. Il ne touche pas les parois, ne frotte sur aucun roulement — il reste suspendu dans un piège magnétique, comme une poussière dans un rayon de soleil.

Au sud de l'Inde, dans la ville de Madurai, un étrange « chasseur » de particules cosmiques a fonctionné de 2018 à 2022 : le prototype mini-ICAL, d'une masse de 85 tonnes. C'est une version réduite 600 fois du futur détecteur de neutrinos (ces particules fantômes insaisissables) qui sera construit profondément sous terre.

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 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.

Il y a près de quinze ans, le télescope à rayons gamma Fermi détectait de mystérieuses « bulles » – d'immenses nuages de plasma, comme gonflés par des poumons invisibles, s'élevant à des dizaines de milliers d'années-lumière du centre de la Galaxie.

Une toupie tourne, mais son axe reste invisible. C'est à peu près ce qui se passe avec le muon, un lourd cousin de l'électron. Son spin (rotation interne) change de direction, et on ne peut le savoir qu'en observant la façon dont le muon se désintègre.

Dans un immense anneau d'aimants près de Chicago, les muons tournaient comme des patineurs sur une patinoire. Mais au lieu de la musique, un champ magnétique, et au lieu de la rotation, un léger balancement du spin. Ce balancement, les physiciens l'appellent le moment magnétique anormal.

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.

L'électron et le muon sont de minuscules aimants. Leur magnétisme est légèrement supérieur à deux (dans des unités spéciales), et cette « fraction excédentaire » (le moment magnétique anomal) naît de l'agitation constante du vide : des paires de particules apparaissent et disparaissent brièvement.

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

Dans une pièce sombre, une perle de verre de la taille d'un grain de poussière est suspendue dans un faisceau laser. En dessous, deux miroirs : l'un en aluminium, l'autre en argent.

Un nuage géant de gaz et de poussière, si froid que la chaleur y est à peine perceptible — à quelques degrés seulement au-dessus du zéro absolu. C'est TMC-1, dans la constellation du Taureau, l'un des berceaux de molécules les plus sombres et les plus denses de notre Galaxie.

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.

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.

Dans les grands accélérateurs, les particules traversent les détecteurs en quelques milliardièmes de seconde, et pour les distinguer les unes des autres, il faut un chronomètre d'une précision incroyable.

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.

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.

Au plus profond de la terre, dans une ancienne mine d'or en Australie, se trouve un laboratoire où le silence n'est troublé que par de rares éclairs de lumière. Ces éclairs sont les traces de particules cosmiques qui traversent des centaines de mètres de roche. Huit panneaux en plastique, semblables à de grandes feuilles lumineuses, capturent ces particules.

Des physiciens ont piégé un nuage d'atomes de lithium entre deux miroirs. La lumière rebondit à l'intérieur, comme dans une chambre d'écho, forçant les atomes à émettre de manière synchrone — on obtient de la superradiance, semblable à un chœur où les voix se fondent en un seul grondement.

Lors des collisions de noyaux lourds, une boule de feu de milliers de particules est créée. Parmi elles, on trouve des pions et des kaons, deux types de particules légères qui se ressemblent beaucoup. Pour comprendre ce qui se passe dans cette boule de feu, les physiciens doivent savoir exactement combien de particules de chaque type ont été émises.

Un unique antiproton, piégé et refroidi presque au zéro absolu, se comporte comme un diapason qu'il faut frapper très précisément pour entendre un son pur. Capter ce « son » directement est presque impossible – le signal est trop faible.

Au Grand collisionneur de hadrons, en accélérant des particules à des vitesses proches de la vitesse de la lumière, on produit des quarks top — les briques les plus lourdes du modèle standard.

À l'intérieur du Grand collisionneur de hadrons, les protons sont accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière et entrent en collision frontale. Au point d'impact, un concentré d'énergie naît brièvement, à partir duquel de nouvelles particules peuvent apparaître. L'une des plus lourdes est le quark top.

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.

Dans la salle souterraine du Fermilab se dresse une immense cuve remplie d'argon liquide, un liquide transparent à la température de moins 186 degrés.

Le muon est un lourd cousin de l'électron qui ne vit que deux millionièmes de seconde. Dans un champ magnétique, il tourne comme une toupie, mais un peu plus vite que ne le prédisent les formules.

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.

On lance deux toupies en même temps, dans des directions opposées. Si l'une tourne vers la gauche, l'autre tourne toujours vers la droite, quelle que soit la distance qui les sépare. C'est à peu près ainsi que fonctionne l'intrication quantique, sauf qu'au lieu de toupies, on a des quarks top, les particules les plus lourdes connues.

Imaginez une membrane tendue comme une peau de tambour. Elle capte deux signaux à la fois : les ondes gravitationnelles — la courbure de l'espace-temps — et les insaisissables particules de matière noire.

Deux électrons dans un tube étroit ne veulent pas être proches. Tous deux portent une charge négative et se repoussent, comme deux aimants présentés par leurs pôles identiques. Si le tube est très fin, ils ne peuvent pas s'écarter latéralement – il ne leur reste qu'à s'aligner l'un derrière l'autre.

Le muon est une toupie minuscule qui tourne dans la mer agitée du vide. Son axe magnétique pointe légèrement à côté de ce que prédit le modèle standard. L'écart n'est que de quelques millionièmes, mais pour les physiciens, c'est une véritable énigme. Le vide n'est pas un calme plat.