hadron

Les neutrinos sont des particules presque insaisissables qui traversent la Terre sans la remarquer. Mais parfois, l'un d'eux percute un noyau atomique de l'eau, et c'est alors toute une gerbe de particules qui naît : muons, protons, pions.

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 ».

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.

Les quarks, briques élémentaires des protons et des neutrons, s'assemblent généralement par paires ou par triplets. Mais parfois, ils forment des combinaisons plus grandes et instables qui ne vivent que des fractions infinitésimales de seconde.

À l'accélérateur du laboratoire Jefferson, un faisceau de lumière frappe des protons, et des particules éphémères naissent de ces collisions : les mésons oméga. Ils vivent moins d'un milliardième de seconde, mais ils ont le temps de nous renseigner sur les forces qui règnent à l'intérieur du noyau atomique.

Dans une rangée serrée d'atomes, espacés de moins d'une longueur d'onde, se cache un état surprenant. L'excitation est répartie sur toutes les particules de telle sorte que leur rayonnement s'annule de lui-même. Ce « silence » quantique est un coffre-fort idéal pour un photon : il peut y rester stocké des centaines de fois plus longtemps que d'habitude.

Dans le noyau atomique, les protons et les neutrons sont si densément tassés que des forces comparables à des ressorts tendus agissent entre eux. Certains ressorts se compriment et se détendent de manière identique dans toutes les directions — ce sont les forces centrales habituelles.

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.

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.

L'eau dans un verre semble continue, mais elle est faite de molécules. C'est un peu ainsi que les physiciens ont longtemps décrit la matière à l'intérieur d'une étoile à neutrons : comme une soupe homogène de protons et de neutrons. Mais les vraies étoiles à neutrons ne sont pas une soupe. C'est une foule dense de particules où chaque neutron sent la présence de ses voisins.

En juin 2024, le radiotélescope CHIME a détecté depuis la source FRB 20240114A plus de 700 sursauts radio par heure. Un tel répéteur hyperactif libère en une heure presque toute l'énergie magnétique d'un magnétar ordinaire (une étoile à neutrons au champ extrêmement puissant).

Une étoile à neutrons, c'est une ville compressée aux dimensions d'une métropole, où la matière est condensée à l'extrême. Au centre même de cette ville, une restructuration peut commencer : les neutrons et protons familiers cèdent la place à un plasma de quarks — les quarks libres qui composent presque tout ce qui nous entoure.

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.

À l'intérieur d'une étoile à neutrons, la matière est comprimée au point que les noyaux atomiques cessent d'être des amas distincts. Les neutrons et les protons se rapprochent, et leurs entrailles — les quarks — commencent à sentir leurs voisins à travers les parois de leurs « sacs ».

D'un côté de la balance, toute la matière de l'Univers ; de l'autre, toute l'antimatière. Selon les lois de la physique, au moment de la naissance du monde, les plateaux auraient dû s'équilibrer. Mais nous voyons qu'un plateau l'emporte : autour de nous, il y a des étoiles, des planètes, des humains, et presque pas d'antimatière.

Un gaz brûlant se dépose sur un substrat, construisant couche après couche un film transparent. Mais au lieu d'un miroir parfait, la surface se couvre parfois de minuscules bosses — comme des excroissances de glace sur une vitre par grand froid. On essaie généralement de les éliminer, car elles gênent la fabrication de pièces planes.

De minuscules balles invisibles traversent le Soleil de part en part, sans presque remarquer sa matière. Ce sont les axions — des particules hypothétiques si légères et insaisissables qu'on les compare à des fantômes.

Dans le monde du modèle standard, il y a une vieille énigme : pourquoi les masses de l'électron, du muon et de la particule tau diffèrent-elles autant ? Et pourquoi les quarks — les briques des protons et des neutrons — sont-ils aussi divisés en trois générations avec un saut brutal de masses ?

Deux étoiles à neutrons — des vestiges d'astres morts, comprimés à la taille d'une ville mais pesant autant qu'un Soleil entier — tournent l'une autour de l'autre et finissent par entrer en collision. À cet instant naît un objet à mi-chemin entre un trou noir et un aimant surpuissant : un champ des milliards de fois plus intense que celui du plus puissant IRM.

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.

À première vue, le noyau atomique est un appartement communautaire exigu où protons et neutrons (ensemble, on les appelle nucléons) vivent selon des règles strictes. Chacun occupe son orbite, comme les électrons dans l'atome, et en moyenne tout semble ordonné.

Un bassin d'eau pure dans lequel tombent de minuscules gouttes presque invisibles. Chacune laisse une ondulation à peine perceptible, et pour la capter, il faut des années de patience.

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.

Une pincée de sel tombe dans l'eau, et les ions sodium et chlore se dispersent, entourés de molécules d'eau. Maintenant, au lieu d'un ion, c'est un positron qui se retrouve dans la compagnie moléculaire — une antiparticule, jumelle de l'électron, mais avec un plus au lieu d'un moins.

Un jongleur lance des massues en étant assis sur une chaise tournante. S'il se met à faire tourner les massues toutes dans le même sens, la chaise partira dans le sens opposé — sinon la loi de conservation de la rotation serait violée.

Le noyau atomique n'est pas une boule de billard, mais plutôt un nuage brumeux qui ne cesse de changer de forme. Les protons et les neutrons à l'intérieur sont en mouvement perpétuel, et le noyau peut adopter toutes sortes de formes : allongé, aplati ou en forme de poire.

Le noyau atomique n'est pas une boule monolithique, mais un essaim dense de particules minuscules, les quarks, collés par une colle spéciale (l'interaction forte).

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.

Dans le détecteur CMS du Grand collisionneur de hadrons, des protons accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière sont entrés en collision.

Deux flux de voitures se percutent à un carrefour. Dans les premiers instants qui suivent le choc, les débris ne s'éparpillent pas au hasard, mais comme s'ils étaient brièvement enveloppés dans un nuage commun. C'est à peu près ce que les physiciens ont observé au Grand collisionneur de hadrons lorsque des protons se sont percutés à une vitesse énorme.

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.

Les particules lourdes que les physiciens appellent baryons ressemblent à de minuscules familles de trois quarks. Les baryons ordinaires sont les protons et les neutrons qui constituent tout ce qui nous entoure. Mais il existe aussi des cousins exotiques : au lieu de quarks légers, ils contiennent des quarks charmés ou beaux — lourds et éphémères.

Les quarks sont de minuscules briques qui composent les protons et les neutrons. D'habitude, ils vont par paires : une particule et son double miroir, l'antiparticule. Mais parfois, les quarks forment des combinaisons plus étranges, que les physiciens appellent exotiques.

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.

La collision de particules à très grande vitesse produit une pluie de nouvelles particules. Parmi elles, les antiprotons, jumeaux des protons ordinaires, mais avec une charge opposée. Chaque particule possède une rotation propre, comme une balle de tennis envoyée avec un effet. Mais personne n'a encore vérifié si les antiprotons naissent avec une rotation.

Si l'on place un kaon dans un champ électrique, il s'étire légèrement, comme un ballon de baudruche frotté sur un pull. Cette réponse — la polarisabilité électrique — indique à quel point la particule est rigide à l'intérieur.

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.