Grand collisionneur de hadrons

Au Grand collisionneur de hadrons, on fait entrer en collision des protons, et parmi les débris apparaît parfois une particule poids lourd – le baryon lambda. Elle ne vit qu'une fraction infinitésimale de seconde et se désintègre en d'autres particules.

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.

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.

Un proton ou un noyau atomique fonce à une vitesse prodigieuse dans l'atmosphère terrestre — et une cascade de milliards de particules naît. Cette gerbe atmosphérique étendue déferle vers la surface, tandis que des télescopes sensibles capturent sa lueur pâle.

Dans les collisions de protons au Grand collisionneur de hadrons, il arrive que naissent non pas un Higgs, mais deux à la fois. La fréquence de ces événements est l'empreinte directe de la façon dont le champ de Higgs interagit avec lui-même.

Le bolide cosmique SS 433 file à travers la Galaxie, éjectant deux étroits jets de gaz surchauffé à un quart de la vitesse de la lumière. C'est un microquasar — un système binaire où un trou noir arrache de la matière à une étoile ordinaire, et une partie de cette matière s'échappe sous forme de jets.

Le bolide cosmique SS 433 file à travers la Galaxie, éjectant deux étroits jets de gaz surchauffé à un quart de la vitesse de la lumière. C'est un microquasar — un système binaire où un trou noir arrache de la matière à une étoile ordinaire, et une partie de cette matière s'échappe sous forme de jets.

Le boson de Higgs ressemble à un diapason qui émet une note bien précise. Mais les physiciens ont appris à l'entendre même lorsque la note est faussée, dans la région dite « hors résonance ». C'est là, dans les données du détecteur CMS, que se cachaient les réponses aux questions sur la véritable nature du mécanisme de Higgs.

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.

Dans l'anneau de 21 kilomètres de Protvino, près de Moscou, on projetait autrefois d'accélérer des protons. Aujourd'hui, le même tube pourrait accueillir une machine bien différente : un collisionneur de muons. Le muon est un cousin lourd de l'électron, et c'est là sa force.

Au cœur du détecteur ATLAS, comme dans un thermos géant, sloshe de l'argon liquide — un liquide transparent à moins 184 degrés Celsius. Lorsqu'une particule le traverse, un faible signal électrique naît, semblable à un doux clapotis.

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.

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.

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.

Par une chaude après-midi, une chaleur étouffante pèse sur la ville, et pas un nuage à l'horizon. D'habitude, par un temps pareil, on ne peut qu'attendre que la nature se montre clémente et apporte un peu de fraîcheur. Et si l'on pouvait programmer l'ombre et la pluie comme on allume la lumière dans une pièce ?

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

Une pierre tombe dans un étang, et des cercles se propagent à la surface de l'eau. Ainsi, la lumière des galaxies lointaines se diffuse dans toutes les directions — calmement et régulièrement. Mais au centre de certaines galaxies se cache non pas une pierre, mais un véritable canon : il projette des particules avec une force monstrueuse. Les astronomes appellent ces objets HSP BL Lac.

Une gare bruyante à l'heure de pointe. Des milliers de personnes se pressent, les voix se fondent en un bourdonnement. Et quelque part dans cette foule, deux personnes tentent de se serrer la main d'une manière particulière, à peine perceptible. Repérer une telle poignée de main est presque impossible.

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.

Deux faisceaux d'une luminosité éblouissante se percutent frontalement. Au point de rencontre, une particule naît l'espace d'un instant : celle-là même qui est responsable de la masse de tout ce qui existe. C'est le boson de Higgs.

Au Grand collisionneur de hadrons, les protons entrent en collision des milliards de fois par seconde, et une seule fois sur un trillion de collisions, une paire de bosons de Higgs modèle standard (les particules responsables de la masse de tout ce qui existe) est produite.

Une pièce qui retombe sur sa tranche : c'est à peu près aussi rare que la désintégration d'un méson B lourd en un pion léger et une paire électron-positron. En une décennie de fonctionnement du collisionneur, seules quelques poignées de tels événements ont été accumulées, mais les physiciens ont enfin pu les distinguer.

Dans le détecteur LHCb, où des protons entrent en collision, une trace inhabituelle a été trouvée parmi des milliards de désintégrations. La particule, nommée $$D_{s1}$$(2933)^+, apparaît un instant puis se désintègre aussitôt en d'autres particules.

Une poignée de pièces de monnaie accélérée jusqu'à un cinquième de la vitesse de la lumière. Voilà à quoi ressembleront les sondes interstellaires Coracle : de minuscules engins de quelques grammes, chacun muni d'une pellicule de voile très fine.

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

Les gouttes d'huile dans un bouillon bouillant ont tendance à se disperser, mais si on les fait entrer en collision très lentement, elles peuvent s'agglutiner un instant. Quelque chose de similaire se produit avec les quarks top, les briques de matière les plus lourdes connues.

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.

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.

Entre 2016 et 2018, au Grand collisionneur de hadrons du CERN, des protons entraient en collision avec une énergie de 13 téraélectronvolts — comme si deux petits pois étaient accélérés à des vitesses telles que leur impact engendre tout un essaim de nouvelles particules.

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.

Au Grand collisionneur de hadrons, des protons entrent en collision et des dizaines de particules naissent de l'éclair. Parmi elles peuvent se trouver les traces de processus rares – par exemple, la désintégration du boson de Higgs en deux bosons W.

Les rayons cosmiques sont des particules qui nous parviennent des confins de l'espace. Lorsqu'une telle particule percute l'atmosphère, elle engendre toute une pluie de nouvelles particules — comme une boule de billard qui brise le triangle et fait partir les boules dans toutes les directions.

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.

Une autoroute circulaire autour du Soleil, où ne circulent pas des voitures mais des paquets de matière. Le diamètre de cette route se mesure en années-lumière : elle ceinture notre système planétaire à sa frontière extérieure, dans le nuage d'Oort, là où l'attraction de l'étoile se fait encore sentir.

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.

Deux particules qui s'éloignent dans des directions opposées se comportent comme un tout : la mesure de l'une détermine instantanément l'état de l'autre. Cette intrication quantique est connue depuis longtemps pour les particules légères, mais c'est la première fois qu'on l'observe chez les bosons Z, les lourds porteurs de l'interaction faible.

Dans une cuisine, deux faisceaux de lampes de poche se traversent sans se remarquer. La lumière n'interagit presque pas avec la lumière. Mais si l'on accélère des particules à des énergies énormes, deux photons peuvent entrer en collision et donner naissance à quelque chose de nouveau.