lepton

Dans un laboratoire souterrain du Dakota du Sud, le détecteur LUX-ZEPLIN, rempli de xénon liquide, attend de rares collisions. En général, les particules de matière noire le traversent sans laisser de trace, mais un jour, un noyau de xénon a été déplacé avec une énergie de 248 keV.

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.

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.

Un flux invisible de particules traverse le corps humain à chaque seconde. Ce sont les neutrinos — de minuscules messagers venus d'étoiles lointaines et de réacteurs terrestres. Les attraper est presque impossible : ils traversent la matière comme une balle traverse le brouillard. Mais les physiciens ont appris à leur tendre des embuscades.

En physique nucléaire, une énigme demeurait : pourquoi, parmi les éléments plus légers que le bismuth, seuls le technétium (n°43) et le prométhium (n°61) ne possèdent-ils aucun isotope stable ? Tous leurs voisins du tableau périodique peuvent se vanter d'avoir au moins une variante à longue durée de vie, mais ces deux-là semblent échapper à la règle générale.

Tout en haut des montagnes, là où l'air est pur et silencieux, des physiciens s'apprêtent à attraper des visiteurs insaisissables venus du cosmos : les neutrinos. Ces particules, telles des fantômes, traversent la Terre sans presque laisser de traces. Mais parfois, un neutrino percute un atome, engendrant une pluie de particules que l'on peut observer.

Les neutrinos solaires sont de minuscules particules nées dans les entrailles du Soleil par milliards de milliards chaque seconde. Ils traversent la Terre sans presque la remarquer et ont longtemps été considérés comme absolument stables. Mais peut-être peuvent-ils eux aussi « vieillir » — se désintégrer discrètement, disparaissant en chemin vers nous.

Une balance capable de peser l'invisible — c'est ainsi que fonctionne le rapport des désintégrations des mésons légers (pion et kaon) en électrons et en muons. Si la nature obéit aux mêmes règles pour toutes les générations de particules, les plateaux de cette balance affichent un nombre strictement défini. Mais si une force inconnue se cache quelque part, l'aiguille tremblera.

Les neutrinos ressemblent à des danseurs invisibles qui changent de masque en plein vol. Les trois types de ces particules – le neutrino électronique, le neutrino muonique et le neutrino tau – passent constamment de l'un à l'autre.

La Lune est une sphère sans air faite d'une croûte rocheuse dense appelée régolithe. Lorsque des particules rapides venues de l'espace la percutent, des muons naissent dans le sol : des cousins instables des électrons, environ deux cents fois plus lourds. La plupart filent vers le bas et s'éteignent dans l'épaisseur.

Le lepton tau est une particule à vie courte, un lourd cousin de l'électron. Lorsqu'il se désintègre, ses quarks échangent des gluons, un peu comme des joueurs dans une pièce fermée se renvoient un ballon. On ne voit pas les passes elles-mêmes, seulement le score final : deux pions qui s'éloignent sous certains angles.

L'électron et le muon sont de minuscules aimants. Leur magnétisme est légèrement supérieur à deux (dans des unités spéciales), et cette « fraction excédentaire » (le moment magnétique anomal) naît de l'agitation constante du vide : des paires de particules apparaissent et disparaissent brièvement.

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.

Les noyaux des atomes sont enveloppés dans de gros manteaux de fourrure électronique – avec une telle tenue, impossible de se faire un câlin. Mais remplacez le manteau léger par un lourd : le muon, une particule du modèle standard, comprime le nuage près de 200 fois.

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 ?

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.

Le feu d'artifice éclate, et un point se disperse en quatre étincelles. C'est un peu ce que fait le boson Z — la particule qui porte l'interaction faible — lorsqu'il se désintègre en quatre leptons chargés (électrons ou muons). Le processus est extrêmement rare : sur un million de naissances de bosons Z, on n'observe qu'environ cinq événements de ce type.

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.

Au tout début, quelques instants après le Big Bang, l'Univers était d'une symétrie presque risible : il y avait autant de particules que d'antiparticules. Mais un déséquilibre s'est produit, minuscule comme un grain de sable en trop dans un kilo de sucre, et tout le monde qui nous est familier — étoiles, planètes, êtres humains — est né de cet excès.

Selon les règles du modèle standard, la charge électrique est toujours un multiple entier de la charge de l'électron – la nature travaille avec des unités entières. Mais les équations permettent l'existence de particules à double charge : les bileptons.

Trois poids de forme étrange sont posés sur une table. Leur poids exact est inconnu, mais si on les place sur une balance à plateaux dans une certaine combinaison, l'aiguille indique toujours le même nombre magique.

Deux minuscules toupies s'éloignent après un choc. Leur rotation n'est pas prédéterminée — elle ne devient définie qu'au moment de la mesure. C'est cela, l'intrication quantique : l'état d'une toupie répond instantanément à l'état de l'autre, où qu'elles se trouvent.

Pour connaître la taille réelle du proton, les physiciens ont remplacé l'électron de l'atome d'hydrogène par sa copie lourde, le muon. Tel une loupe à fort grossissement, le muon s'approche au plus près du noyau et « tâte » le proton avec une précision inégalée.

Une immense sphère remplie de liquide s'illumine lorsqu'une particule insaisissable — un neutrino — la traverse. À l'intérieur, comme des lucioles sur un sapin de Noël, sont suspendus des milliers de tubes qui captent ces éclairs. Pour savoir précisément où la lumière a brillé et quelle énergie est arrivée, il faut connaître la position de chaque tube au millimètre près.

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.

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.

Le muon ressemble à l'électron, mais il est 200 fois plus lourd et ne vit que deux millionièmes de seconde. Son moment magnétique — la manière dont la particule réagit à un champ magnétique — est mesuré avec une précision fantastique. Mais la valeur mesurée est légèrement supérieure à ce que prédit la théorie.

Au plus profond des Apennins, dans une cuve contenant trois tonnes de xénon liquide, quelque chose tressaille imperceptiblement tous les quelques jours.

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.

Dans l'accélérateur situé près de Pékin, des électrons entrent en collision avec des positrons, et pendant un instant naissent des particules que l'on ne rencontre pas dans la matière ordinaire. L'une d'elles est la lambda-c-plus : elle contient un quark charmé lourd, comme une pierre dans une fronde.

Lorsqu'un neutron ou un proton pénètre dans un noyau atomique, il se comporte comme une balle qui frappe un mur irrégulier : la rebond peut varier selon l'endroit où il touche.

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 lepton tau est un lourd cousin de l'électron, qui vit moins d'un billionième de seconde. D'habitude, il se désintègre en particules plus légères, mais jamais directement en trois muons : une telle transition est interdite par les lois connues de la physique des particules. Si elle se produisait, cela signifierait que des forces inconnues agissent dans la nature.

Les neutrinos sont de minuscules particules qui traversent la Terre sans presque la remarquer. Dans l'expérience MicroBooNE, on les capture dans une cuve d'argon liquide.

Dans l'accélérateur, un électron et un positron entrent en collision — et pendant un instant naît une particule qui vit moins d'un milliardième de seconde.

Le proton n'est pas une boule uniforme. À l'intérieur, un mélange bouillonnant de quarks et de gluons. Les gluons sont les particules qui collent les quarks entre eux, comme la colle assemble des planches de bois. La question est : quelle part du « poids » du proton revient à cette colle ?

Dans l'accélérateur, des particules entrent en collision, et pendant un bref instant naît un méson B — une particule lourde qui vit moins d'un milliardième de seconde. Habituellement, il se désintègre en de nombreux fragments, mais parfois il se transforme en seulement deux particules : un muon et un neutrino.

Dans un accélérateur de particules, l'anti-lambda est une invitée rare. Elle naît en plein vol, vit une fraction de seconde minuscule et se désintègre généralement d'elle-même. Mais parfois, elle a le temps de percuter un proton ordinaire – et alors tout un faisceau de particules légères naît : des kaons, des pions.

Le quark top est la plus lourde des briques connues de la matière, mais la théorie prédit l'existence d'un jumeau discret, le quark T, qui pourrait être plusieurs fois plus massif. Pour le faire apparaître, les physiciens font entrer en collision des protons avec des muons, des cousins instables de l'électron.

Le cristal d'oxyde de magnésium ressemble à une rangée de soldats : les atomes sont alignés en rangées régulières, et un électron court le long de celles-ci. Mais dès que l'électron s'attarde, les atomes voisins se déplacent légèrement — comme des voisins de rangée qui tournent la tête. L'électron se retrouve dans un creux formé par les atomes déplacés et ne peut plus se mouvoir librement.