hyperon

La carte de la matière nucléaire dense ressemble à une carte routière : les lignes de transition de phase se croisent en des points critiques, comme des routes à des carrefours. Jusqu'à présent, on connaissait deux carrefours sur cette carte : la transition nucléaire liquide-gaz et le déconfinement, où les hadrons se désintègrent en quarks.

Une étoile à neutrons est ce qui reste après l'explosion d'une étoile massive. La matière y est comprimée si fort qu'une cuillère à café pèserait des milliards de tonnes. Dans ces conditions, les protons et les neutrons peuvent se réarranger, et de nouvelles particules apparaissent – les hypérons, semblables aux neutrons mais contenant un quark « étrange ».

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.

Trois boules de billard frappées se dispersent sur la table — leurs trajectoires ne dépendent que de l'impulsion initiale. Mais dans le monde des noyaux atomiques, c'est plus complexe : les particules se ressentent mutuellement en mouvement, même si elles ne sont pas liées en un tout.

Dans la lointaine galaxie du Cigare, il existe un phare singulier. Il n'émet pas de lumière au sens habituel – ses rayons naissent dans un nuage surchauffé autour d'un trou noir qui dévore la matière d'une étoile voisine. De tels objets sont appelés sources de rayons X ultralumineuses. Leur éclat en rayons X est si intense qu'il éclipse des galaxies entières.

À 123 parsecs de la Terre, dans la constellation de la Couronne australe, flotte l'étoile à neutrons RX J1856.5-3754. Son diamètre est d'environ 12 kilomètres, soit moins que le périphérique de Paris, mais sa température de surface atteint 460 000 kelvins.

Une étoile à neutrons est un chaudron bouillonnant de la taille d'une ville, mais avec une masse d'un soleil et demi. Dans ses profondeurs, la matière est comprimée au point que les noyaux atomiques perdent leur sens.

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.

Une boule de billard en heurte une autre dans l'obscurité totale. Le bruit de l'impact et le cliquetis des billes tombant dans les poches — voilà tout ce que l'on entend. C'est à peu près ainsi que les physiciens étudient les interactions des particules élémentaires à des énergies qu'aucun accélérateur terrestre ne peut reproduire.

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).

Au cœur d'une étoile à neutrons, la matière est si comprimée que les protons et les neutrons familiers laissent place à de nouveaux acteurs. Là naissent les hypérons, des particules qui abritent un quark étrange.

Les entrailles des étoiles à neutrons sont un royaume de matière dégénérée. Ici, les protons se condensent en un condensat supraconducteur, parcouru de tourbillons quantiques. Imaginez de minuscules toupies magnétiques : chacune porte un quantum de flux magnétique et glisse à travers le fluide électronique.

Pendant longtemps, les astronomes ont cherché les « usines » des rayons cosmiques les plus énergétiques, ces particules qui portent en elles le macrocosme compressé à l'échelle du noyau atomique. Les suspects étaient les colossales régions de formation d'étoiles comme Cygnus OB2, où les vents des jeunes géantes entrent en collision.

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.

Une étoile à neutrons est une lentille gravitationnelle qui focalise nos tentatives d'apercevoir la matière noire. À travers sa matière ultra-dense, comme à travers un verre exotique, nous cherchons l'axion — une particule insaisissable capable d'expliquer la masse cachée de l'Univers.

L'Univers est un cuisinier génial, et le Big Bang est sa recette parfaite. L'hydrogène a levé comme une pâte aérienne, l'hélium a fondu comme un délice, mais le lithium-7 semble avoir été trop salé : la théorie en prédit trois fois plus que ce que les astronomes trouvent dans les étoiles les plus anciennes.

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.

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 ».

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.

Dans les tout premiers instants après le Big Bang, la matière et l'antimatière auraient dû naître en quantités égales. Mais aujourd'hui, nous ne voyons que de la matière — les étoiles, les planètes, nous-mêmes. Où est passée l'antimatière ? Une des clés se cache dans des particules presque insaisissables : les neutrinos droits.

Dans la famille des résidus ultra-denses d'étoiles mortes, un vide a longtemps béé. Les étoiles à neutrons — des toupies fulgurantes de la taille d'une ville — dépassent rarement deux masses solaires. Les trous noirs commencent aux alentours de cinq masses solaires. Entre les deux, un « gouffre » où l'on n'a trouvé aucun objet pendant des décennies.

Une poignée de sable pesant le poids d'une petite montagne — c'est à peu près ce que sont les strangelets, de minuscules amas de « matière étrange » de quarks, où les particules sont compressées à des densités inimaginables. Dans une nouvelle étude, des astrophysiciens ont vérifié si de tels objets pouvaient exister dans la nature et à quoi ils ressembleraient.

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.

Une ampoule qui ne grille pas, mais qui s'emballe et devient de plus en plus brillante jusqu'à faire voler en éclats tout le luminaire. C'est à peu près ainsi que meurent les étoiles les plus massives de l'Univers. Lorsque le cœur d'une étoile atteint des milliards de degrés, des paires de particules commencent à s'y créer : des électrons et leurs antiparticules, les positons.

La matière ordinaire est composée d'atomes, et les atomes sont composés de noyaux et d'électrons. Mais dans une étoile à neutrons, la gravité comprime la matière si fort que les électrons sont enfoncés dans les protons, et presque tout se transforme en un empilement dense de neutrons.

À l'intérieur d'une étoile à neutrons, la densité ne varie pas en douceur : elle chute par à-coups, formant des marches de densité. Sur ces marches, le vide se met soudain à enfanter des paires : un neutrino et un antineutrino.

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.

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.

Lors de collisions de protons au Grand collisionneur de hadrons, les physiciens ont pour la première fois capturé une particule à deux quarks charmés. Elle s'appelle Ξcc+ (prononcé « ksi-ksi-plus ») et ressemble à une perle avec non pas un, mais deux noyaux lourds.

Dans le système binaire Cygnus X-3, dans notre galaxie, un trou noir et une étoile géante tournent si près l'un de l'autre que l'étoile perd de la matière — elle est emportée par un vent puissant.

Immédiatement après le Big Bang, l'univers ressemblait à une soupe bouillonnante : des paires de particules et d'antiparticules émergeaient du vide puis s'y engloutissaient. Mais l'expansion brutale — l'époque décrite par Alan Guth et Andrei Linde — a mis un couvercle sur cette marmite.

Le proton n'est pas une boule pleine. Sa charge, sa masse et d'autres propriétés sont réparties dans l'espace de manières différentes, et chaque propriété a son propre rayon. Les physiciens savent depuis longtemps mesurer où se concentre la charge du proton et où se trouve sa masse.

En 2019, les détecteurs d'ondes gravitationnelles ont capté un signal provenant de la fusion d'objets lointains. L'un d'eux était un trou noir de 23 masses solaires. Le second ne pesait que 2,5 masses solaires — et c'est étrange.

Quelque part au-dessus de nos têtes, chaque seconde, un proton accéléré à une énergie des millions de fois supérieure à celle du Grand collisionneur de hadrons percute l'atmosphère. Il frappe une molécule d'air, et une cascade naît – une large pluie atmosphérique de milliers de particules.

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 système de Saturne, il y a 300 millions d'années, ressemblait à une piste de danse bondée. Le satellite le plus massif, Titan, a commencé à dériver, et ce mouvement a déséquilibré ses voisins. L'une des lunes a percuté Titan ; les débris ont tourbillonné, s'assemblant pour former Hypérion.

Au centre d'une étoile à neutrons, la matière est comprimée si fort que les protons et les neutrons se transforment en particules plus lourdes — les hyperons. Ces particules ressemblent aux neutrons, mais contiennent un quark étrange.

Une multitude d'atomes peuvent agir comme un orchestre bien réglé : si chacun émet de la lumière à l'unisson avec les autres, l'éclat est multiplié. C'est la superradiance — un phénomène bien étudié en laboratoire, mais presque jamais recherché dans l'espace.

À l'intérieur d'une étoile à neutrons, la matière est si dense qu'une cuillère à café pèse autant qu'une montagne. Sous une telle pression, les particules ordinaires – protons et neutrons – peuvent se transformer en particules exotiques appelées hypérons. Ces particules ressemblent aux neutrons, mais contiennent des quarks étranges.

Les trous noirs supermassifs au centre des galaxies sont apparus si rapidement après le Big Bang que les astronomes se creusent la tête. La clé réside dans les frémissements du champ invisible des axions.