kiloelectronvolt

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

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.

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.

Le tritium radioactif se désintègre et émet un électron. Son énergie est presque toujours la même, mais parfois elle est un tout petit peu plus faible. Ce « manque à gagner » pourrait signifier qu'une autre particule cachée est née en même temps que le neutrino ordinaire.

Le kaon est une particule de longue durée de vie à l'échelle du microcosme : il vit des milliardièmes de seconde avant de se désintégrer en particules plus légères. Dans l'expérience KOTO au Japon, on capture les variantes les plus rares de cette désintégration.

Dans une chambre noire où la température n'est que de quatre degrés au-dessus du zéro absolu, repose un cristal de saphir de la taille d'un grain de riz. Lorsqu'un neutrino – particule fantôme qui ne remarque presque pas la matière – le traverse, le cristal frémit et s'échauffe d'une fraction infime de degré.

La molécule d'eau ressemble à un minuscule haltère : deux atomes d'hydrogène sont fixés à un atome d'oxygène selon un angle. Cet haltère ne reste pas immobile : il s'étire, se comprime et tourne. Chacun de ces mouvements possède sa propre énergie, comme les marches d'un escalier.

Un flux d'électrons peut être comparé à un faisceau de pointeur laser : s'il diverge, la tache sur le mur s'étale rapidement. En laboratoire, des physiciens ont créé un faisceau si étroit qu'il restait fin sur une grande distance, comme le faisceau d'un bon pointeur.

Les rayons gamma sont les éclairs de lumière les plus énergétiques qui naissent au cœur des atomes. Leur énergie est comme une empreinte digitale : chaque élément radioactif a son propre motif. Mais mesurer ce motif avec une grande précision, c'est comme peser un grain de sable sur une balance posée sur un camion qui vibre.

Les messages ordinaires peuvent être interceptés sans que personne ne s'en aperçoive. Les physiciens ont imaginé un moyen de créer un secret partagé qui se brise instantanément sous un regard étranger. Au lieu de papier, on utilise des particules de lumière uniques.

Dans une cuve de la taille d'une pièce de monnaie, la lumière se comporte comme de l'eau : elle se rassemble en un fluide quantique unique. Lorsqu'on y ajoute de l'énergie, des entonnoirs se forment spontanément dans ce fluide – ce sont des tourbillons quantiques. Chaque tourbillon ressemble à un petit maelström qui ne peut pas disparaître sans laisser de trace.

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 un laboratoire silencieux, sur une table, se trouve un appareil de la taille d'un micro-ondes. À l'intérieur, une bobine glisse doucement de haut en bas tandis qu'un ordinateur enregistre les signaux électriques. Voilà à quoi ressemble la version de table de la balance de Kibble, un dispositif qui relie la masse aux constantes quantiques.

Une lampe éclaire à travers un brouillard, et sa lumière change légèrement de couleur. De ce changement, on peut déduire la composition du brouillard. C'est ainsi que les astronomes étudient le gaz froid autour des sources de rayons X : les atomes de fer de ce gaz absorbent et réémettent les rayons X à une énergie strictement définie, comme une empreinte digitale.

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.

Moment dipolaire mesuré du tantale-181 : 3,39 × 10⁻³² e·cm — c'est comme repérer un déplacement d'un atome à l'échelle du système solaire. Un noyau atomique ordinaire est parfaitement équilibré, telle une toupie qui tourne.

Au-dessus de la surface miroir d'hélium superfluide refroidi à 7 millikelvins, un électron unique danse une valse parfaite avec un photon micro-onde.

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.

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.