gluon

Imaginez deux toupies lancées sur une table. Si elles tournent dans le même sens, leur rotation totale est grande ; si elles tournent en sens inverse, la rotation totale peut être nulle, alors que chaque toupie tourne rapidement individuellement. Dans une paire d'étoiles à neutrons qui se rapprochent avant la fusion, ces toupies sont leurs rotations propres, c'est-à-dire leurs spins.

Une étoile à neutrons est le vestige d'une étoile explosée, comprimé au point qu'une cuillère à café de sa matière pèserait aussi lourd qu'une montagne. À l'intérieur d'un tel objet, les protons et les neutrons sont tassés au plus près, et sous une pression énorme, des hyperons peuvent y apparaître — des particules contenant un quark étrange.

Lorsqu'on brise un proton dans un accélérateur, des quarks et des gluons en sortent. Mais on ne peut pas les voir libres : presque immédiatement, ils se collent les uns aux autres pour former de nouvelles particules, comme des gouttes de mercure qui se rassemblent en billes.

La glace ordinaire fond à zéro degré. La matière à densité nucléaire — le plasma de quarks et de gluons — subit quelque chose de similaire à environ 155 MeV (soit environ deux billions de degrés).

Le proton n'est pas une boule pleine, mais une minuscule prison. À l'intérieur, trois quarks sont enfermés, et le champ de gluons les empêche de s'échapper – une sorte de fils invisibles qui ne font que se renforcer lorsque les quarks tentent de s'éloigner.

Le proton n'est pas une boule monolithique. C'est un nuage bouillonnant de quarks et de gluons qui naissent et disparaissent sans cesse. Pour décrire une telle image, on utilise les fonctions de distribution de partons : elles indiquent la probabilité de rencontrer un quark ou un gluon d'une certaine énergie à l'intérieur du proton.

Un cylindre d'aluminium massif d'une tonne est suspendu dans le vide. Une onde gravitationnelle — une ondulation de l'espace-temps — le traverse, et le bloc se met à vibrer imperceptiblement.

Une casserole de colle très épaisse et brûlante — voilà à quoi ressemblait l'Univers primordial. Ce n'était pas de la colle ordinaire, mais une « soupe de gluons » : les particules qui transmettent l'interaction forte (les gluons) se déplaçaient librement dans l'espace.

Une poignée de sable dans le poing : les grains se bloquent les uns contre les autres, et la main ne peut pas se refermer davantage. La matière ordinaire se comporte de la même façon.

Dans des accélérateurs comme le Grand collisionneur de hadrons, on fait entrer en collision des noyaux lourds à une vitesse prodigieuse.

Dans le microcosme de l'interaction forte — la colle la plus puissante de la nature — les quarks ne se promènent jamais seuls. À grande distance, ils s'agglutinent en protons et en neutrons que nous connaissons bien. Mais sous une compression extrême, comme au cœur d'une étoile à neutrons, cette colle crée des formes de matière bien plus étranges.

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.

On peut imaginer l'espace-temps comme une toile tendue. Un corps massif la déforme, guidant la lumière. La rotation, elle, tord la toile en spirale. Cet entonnoir gravitationnel est capable d'intriquer un photon qui passe avec la source même de la rotation — par exemple, un minuscule miroir.

Dans les profondeurs d'une étoile à neutrons massive, où une cuillère à café de matière pèse comme une montagne, les quarks sont compressés à une proximité inimaginable.

Glace, eau, vapeur — des transitions de phase que tout le monde connaît. Mais que se passe-t-il si l'on comprime et chauffe le noyau de l'atome lui-même ? Les théoriciens pensent que les protons et les neutrons qu'il contient « fondent », libérant des briques plus petites — les quarks et les gluons.

À l'intérieur du proton, ça bouillonne. Les quarks n'y sont pas simplement assis — ils sont collés par des particules messagères, les gluons (du mot anglais glue — colle). D'habitude, cette colle est étalée uniformément, comme du beurre sur une poêle. Mais quand les énergies deviennent énormes, les gluons commencent à se regrouper en amas.

Les noyaux des atomes sont enveloppés dans de gros manteaux de fourrure électronique – avec une telle tenue, impossible de se faire un câlin. Mais remplacez le manteau léger par un lourd : le muon, une particule du modèle standard, comprime le nuage près de 200 fois.

Si l'on comprime une poignée de sable jusqu'à la taille d'une tête d'épingle, elle se transforme en pierre. Mais si l'on comprime encore plus fort — jusqu'à la densité du noyau atomique —, les grains de sable perdent leur forme. Les protons et les neutrons se dissolvent, et la matière devient une sorte de soupe de quarks libres.

Une goutte de crème grasse dans un verre de lait. Si vous agitez, la graisse ne se répartit pas uniformément : elle forme des amas plus denses qui se déplacent différemment du reste du liquide. C'est à peu près ce que font les quarks à l'intérieur des mésons, ces particules minuscules qui ne vivent que des fractions de seconde.

L'Univers est rempli d'une substance invisible qui régit le mouvement des galaxies. Dans les années 1970, l'astronome Vera Rubin a montré que sans matière noire, les étoiles des confins se seraient dispersées depuis longtemps. Mais de quoi est-elle faite ? On l'ignore.

Un graviton isolé – le quantum de l'espace-temps – est incroyablement faible. Pour des détecteurs comme LIGO, conçus par Rainer Weiss et ses collègues, les effets quantiques sont supprimés d'un facteur 10⁻³⁸ : c'est comme essayer d'entendre un grain de sable tombant…

Si vous essayez de briser un proton et d'en extraire un quark, vous aurez une surprise. Les forces ordinaires, comme la force électrique, faiblissent lorsque les particules s'éloignent. Ici, c'est le contraire. Plus un quark est loin de ses voisins, plus il est rappelé.

Un interprète est distrait par le moindre bruit dans la salle, et une réunion d'une heure s'étire sur deux. C'est à peu près ce que font les gluons, les particules qui transmettent l'interaction forte à l'intérieur des protons. D'habitude, ils filent dans tous les sens, maintenant les quarks ensemble.

Le proton semble être une petite boule compacte, mais à l'intérieur, ça bouillonne : les quarks échangent des gluons, les particules qui les collent. Les gluons apparaissent et disparaissent, et leur distribution dans le proton n'est pas qu'un détail curieux : c'est la clé des prédictions au Grand collisionneur de hadrons.

Lors des collisions de noyaux lourds dans les collisionneurs, un plasma de quarks et de gluons est créé — un état de la matière où les quarks et les gluons sont libres, comme l'eau dans la vapeur.

Si le noyau d'un atome est une famille, dans la maison de l'hélium ordinaire vivent deux protons et deux neutrons, solidement main dans la main. Imaginez maintenant qu'un des membres de la famille soit un excentrique qui aime se promener loin de la maison.

Dans une pièce sombre, une lampe invisible clignote. Sa lumière n'est pas ordinaire : elle n'a pas de luminosité constante, seulement des impulsions rares mais puissantes. C'est un vide comprimé brillant — un état de la lumière sans onde ordinaire, mais avec de fortes fluctuations quantiques.

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.

L'eau dans une bouilloire bout à cent degrés, mais si on la comprime fortement, elle se comporte différemment. De la même manière, les quarks et les gluons — les briques qui composent les protons et les neutrons — changent de propriétés sous l'effet d'un champ magnétique intense.

À l'intérieur de chaque proton et de chaque neutron, un travail invisible bouillonne : les gluons, particules vectrices de l'interaction forte, collent les quarks ensemble. On peut comparer ce champ à des élastiques qui empêchent les quarks de s'éparpiller.

Le proton n'est pas une boule solide, mais un nuage bouillonnant de quarks et de gluons. Chaque particule porte son petit morceau de rotation, mais si l'on additionne tous les morceaux, on n'obtient pas tout le spin du proton.

Une feuille de graphène d'un atome d'épaisseur, c'est comme une nappe parfaitement lisse sur laquelle roulent des billes électroniques. Placez une barrière électrique sur le chemin de ces billes — normalement, elles rebondissent.

En 2010, des physiciens du Grand collisionneur de hadrons ont pour la première fois produit un plasma de quarks et de gluons — un état de la matière dans lequel les quarks et les gluons sont libres, comme l'eau dans la vapeur, et non confinés à l'intérieur des protons et des neutrons.

L'effet Hall quantique a longtemps été soupçonné de superfluidité — la capacité de s'écouler sans frottement. Imaginez un chef qui suit une recette : pour chaque unité de flux magnétique, il doit ajouter exactement un certain nombre d'électrons.

Au plus profond du Grand collisionneur de hadrons, des noyaux de plomb entrent en collision avec une telle violence qu'un instant, une matière plus chaude que le Soleil voit le jour.

Dans les années 2010, les physiciens travaillant au Grand collisionneur de hadrons ont appris à créer en laboratoire une matière que l'on ne rencontre pas dans le monde ordinaire.

Le proton n'est pas une boule dure, mais plutôt un entrelacement serré de quarks et de gluons. Les gluons sont des particules qui transmettent l'interaction forte, une sorte de colle qui maintient les quarks ensemble. Mais cette colle ne se contente pas de relier : elle exerce une pression.

Le proton n'est pas une boule uniforme. À l'intérieur, un mélange bouillonnant de quarks et de gluons. Les gluons sont les particules qui collent les quarks entre eux, comme la colle assemble des planches de bois. La question est : quelle part du « poids » du proton revient à cette colle ?

Au centre de la collision de deux noyaux de plomb naît un minuscule boule de feu — de la matière si chaude que les protons et les neutrons fondent, et que les quarks et les gluons flottent librement dans cette « soupe ». Cette soupe est appelée plasma de quarks et de gluons.

Un faisceau d'électrons, torsadé comme un tire-bouchon, percute un proton. Du point d'impact jaillissent des paires de particules — un pion positif et un pion neutre. Les physiciens ont mesuré pour la première fois la fréquence à laquelle ces paires se séparent sous différents angles lorsque le spin de l'électron est orienté vers la gauche ou vers la droite.