gigaelectronvolt

Sur une chaîne de montage, les pièces sortent une par une à chaque cycle. Si le cycle est court et que le taux de défauts est faible, la ligne tourne vite.

À l'intérieur du Soleil, des réactions peuvent produire des particules légères et presque insaisissables : les axions. L'une de ces réactions génère des axions avec une énergie de 5,49 MeV, comme si chacun portait l'énergie d'une balle de tennis filant à 100 km/h.

Les rayons cosmiques sont des particules qui traversent notre Galaxie à des vitesses énormes. Leur énergie peut être des millions de fois supérieure à celle des particules dans le plus puissant accélérateur terrestre.

Un faisceau de protons dirigé vers une tumeur traverse les tissus mous comme un couteau dans du beurre, mais sa portée dépend des propriétés infimes de l'eau dont nous sommes principalement constitués. L'eau est le principal composant du corps, et c'est de la rapidité avec laquelle les protons y sont freinés que dépend l'endroit où ils déposent leur énergie.

L'univers ressemble parfois à un vieux tissu : après un refroidissement rapide, il pourrait y rester des plis — de fins fils presque invisibles d'une densité monstrueuse. On les appelle cordes cosmiques. Habituellement, au centre d'une telle corde se cache une singularité — un point où les lois de la physique perdent leur sens.

Le mystère du principal coude dans le spectre des rayons cosmiques galactiques — le genou à 3 PeV — a perduré près d'un siècle.

Dans un orchestre, chaque musicien joue sa partition, mais à un moment donné, tous les instruments s'arrêtent sur une même note. C'est à peu près ce que font les rayons cosmiques — ces particules qui nous parviennent depuis des étoiles lointaines.

Un projecteur brille de plus en plus fort, mais à un certain seuil, l'ampoule grille soudainement — et la lumière s'arrête. C'est un peu ce que les astrophysiciens ont observé avec le lointain blazar Markarian 421.

L'hydrogène est l'élément le plus abondant. Ses atomes sont comme des antennes : ils émettent et absorbent la lumière à des fréquences bien précises. Einstein avait prédit que l'espace-temps pouvait onduler — ce sont les ondes gravitationnelles.

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.

Une goutte d'eau dans un champ électrique intense s'allonge. Le noyau de deutérium — une paire liée de proton et de neutron — se comporte de la même manière, sauf que le champ est ici créé par un photon gamma qui passe, et au lieu de s'étirer, le noyau peut tout simplement se briser.

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.

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.

Le sursaut gamma GRB 221009A a brillé si intensément qu'on l'a surnommé « le plus brillant de tous les temps ». L'observatoire LHAASO a capté de lui des photons gamma d'une énergie allant jusqu'à 13 TeV — soit des milliers de fois plus que l'énergie des particules dans un appareil de radiographie.

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.

Dans le sous-sol d'un laboratoire à Jyväskylä, un piège maintient un atome unique en suspension, comme un prestidigitateur tient une balle au bout de son doigt. L'atome d'étain-113 est instable : tôt ou tard, il capture l'un de ses électrons et se transforme en indium-113, émettant une particule insaisissable, le neutrino.

La lumière dans une fibre optique est un flux de photons, et pour la communication quantique, il faut des photons uniques, que l'on peut envoyer un par un. Mais les faire sortir rapidement tout en les rendant indiscernables est un défi.

Les rayons gamma d'énergie supérieure à cent mille milliards d'électronvolts, c'est comme des pierres lancées avec une force incroyable. Pendant longtemps, on a pensé que seuls les protons — ces particules lourdes accélérées dans les accélérateurs cosmiques — pouvaient lancer de telles « pierres ».

Une collision à très grande vitesse a arraché un neutron du noyau d'hélium-8, et pendant un instant, un noyau d'hélium-7 est apparu — comme une étagère surchargée d'où trois livres tombent d'un coup.

Un sursaut gamma, c'est comme un coup de canon cosmique : un éclair bref mais éblouissant qui, pendant quelques secondes, éclipse une galaxie entière.

Vingt-huit secondes – c'est le temps qu'il a fallu à une caméra automatique pour se pointer vers une lueur dans une constellation dont la lumière a mis plus de neuf milliards d'années à nous parvenir.

Le proton ne peut pas être vu comme une simple boule. Si on le frappe avec un photon, il peut absorber de l'énergie et passer dans un état excité — comme une cloche qui se met à sonner à une certaine fréquence après avoir été frappée.

Un électron dans une molécule se comporte comme un minuscule aimant, et sa « force » peut être mesurée avec une précision énorme.

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 neutron est une particule sans charge, mais avec une structure interne. Comme un ballon qui paraît lisse à l'extérieur, mais qui a une garniture complexe à l'intérieur. Les scientifiques cherchent depuis longtemps à comprendre comment les forces électriques et magnétiques sont réparties à l'intérieur du neutron.

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.

La lumière tombe sur une plaque de silicium, et un électron unique y naît. Un appareil ordinaire ne le remarquerait pas — le signal est trop faible. Le nouveau détecteur ne se contente pas de l'entendre : il détermine son énergie avec une précision de 589 milliélectronvolts. C'est comme distinguer les pas d'une fourmi à bout de bras.

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.

La nuit, au-dessus de la taïga sibérienne, une faible lueur bleue scintille parfois. Ce n'est pas une aurore boréale, mais une pluie cosmique : une particule venue du fin fond de l'espace percute l'atmosphère et se fragmente en des millions de particules secondaires. Elles foncent vers le sol en un front large, comme une onde provoquée par une pierre jetée dans l'eau, et font briller l'air.

Dans le havre tranquille de la bulle locale — une cavité de gaz chaud et raréfié autour du Soleil — une explosion a récemment retenti. Une supernova a brillé à quelques dizaines de parsecs de nous, et son écho résonne encore dans les environs, modifiant le paysage des rayons cosmiques.

Au-dessus de l'Antarctique, un ballon-sonde a hissé un instrument qui captait les électrons venus de l'espace. Ces particules proviennent d'explosions d'étoiles lointaines et d'autres événements puissants. L'instrument mesurait leur énergie, comme la force d'un impact. Et voilà que dans une certaine gamme d'énergies, il y a eu plus d'impacts que ce que les calculs prévoyaient.

Dans le flux des rayons cosmiques — ces particules qui nous parviennent des profondeurs de la Galaxie — le titane est rare. Ses noyaux sont presque impossibles à distinguer de ceux du fer : tous deux sont lourds, tous deux laissent des traces similaires dans les détecteurs.