collision d'ions lourds

Le balancier de ces horloges n'est pas actionné par un ressort ou un poids, mais par une minuscule impulsion à l'intérieur du noyau atomique. Les horloges atomiques ordinaires mesurent le temps grâce aux oscillations des électrons, mais ici, le balancier est le noyau lui-même — une boule dense de protons et de neutrons.

Une vieille usine où, au lieu de machines-outils, il y a des noyaux atomiques, et où bouillonne un rayonnement neutrino. Lorsqu'une étoile massive épuise son carburant, son cœur se compresse d'un facteur cent, et la température grimpe à des milliards de degrés.

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

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.

L'histoire a commencé il y a près d'un siècle, lorsque Edwin Hubble a montré que les galaxies s'éloignent, et que Fritz Zwicky et Vera Rubin ont compris plus tard que leurs mouvements nécessitent une masse invisible — la matière noire.

Les noyaux atomiques ne ressemblent pas toujours à des boules de billard. Certains sont allongés comme des cigares, d'autres aplatis. Pour le xénon-129, la forme évoque une pomme de terre — un ellipsoïde triaxial bosselé.

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 ».

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.

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

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.

Si vous plongez deux thermomètres identiques dans une casserole d'eau chaude, ils affichent la même valeur — et nous sommes rassurés : la température est bien mesurée. Mais dans un gaz raréfié chauffé à des millions de degrés, cette astuce ne fonctionne plus.

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.

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.

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.

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.

Lors de la collision de noyaux lourds dans les accélérateurs, de nombreuses particules sont produites, et les physiciens veulent comprendre comment la charge électrique se déplace dans ce chaos. Deux trains entrent en collision : les passagers (les quarks) sont éjectés, mais leurs bagages (la charge) peuvent se retrouver loin du lieu de l'accident.

Dans un plasma où une partie des atomes reste neutre, les lignes de champ magnétique peuvent se réorganiser à des vitesses variables. C'est un peu comme deux élastiques qui, d'abord entrelacés, se détachent soudainement et se contractent, libérant de l'énergie.

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.

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 noyau d'un atome n'est pas une boule dure, mais une goutte de liquide que l'on peut comprimer. Pour comprendre à quel point elle est élastique, les physiciens accélèrent des noyaux d'or et les font entrer en collision. Lors de l'impact, la matière se comprime jusqu'à des densités comparables à celles d'une étoile à neutrons, puis se disperse.

Le laser frappe la cible — et un nuage de plasma s'élance dans la chambre, propulsé à des centaines de kilomètres par seconde. Autour, ce n'est pas le vide : la chambre est remplie d'un gaz raréfié qui joue le rôle du milieu interstellaire. Le plasma s'y enfonce comme un hors-bord dans une eau calme, repoussant le gaz devant lui.

Dix microsecondes après le Big Bang, l'Univers ressemblait à une casserole de bouillon bouillant. Des quarks et des gluons y flottaient — les particules qui, plus tard, s'assembleraient en protons et en neutrons. Le bouillon refroidissait, et à un moment donné, les quarks se sont collés en petits paquets — ces fameux protons et neutrons dont toute la matière visible est constituée.

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.

L'eau dans une bouilloire chauffe jusqu'à cent degrés, puis cesse d'être de l'eau pour devenir de la vapeur. Quelque chose d'analogue se produit avec les noyaux atomiques lorsqu'on les fait entrer en collision à des vitesses énormes dans le Grand collisionneur de hadrons.