LHCb

Le faisceau d'antiprotons frappe la plaque, et chaque impact se disperse en une gerbe de particules chargées. Dans l'expérience GBAR au CERN, ce phénomène est observé non pas avec un détecteur complexe, mais avec une caméra industrielle ordinaire sans objectif, plaquée contre la fenêtre à vide depuis l'extérieur.

Deux danseurs sur une même scène reproduisent les mouvements l'un de l'autre, même lorsqu'un rideau les sépare. Dans le monde quantique, de telles paires sont dites intriquées, et les physiciens vérifient depuis un demi-siècle jusqu'où s'étend cette connexion.

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.

Le rayonnement fossile, c'est la lumière fossilisée des premiers instants. Peu après le Big Bang, les fluctuations quantiques microscopiques ont été étirées par l'inflation jusqu'aux échelles des superamas de galaxies.

À la fin des années 1990, le ciel étoilé a réservé une surprise : Saul Perlmutter et Adam Riess ont découvert que l'expansion de l'univers s'accélère.

Tout n'a pas commencé par le vide, mais par un océan bouillonnant de plasma. Dans ce bouillon primordial, des ondes sonores traversaient la matière en feu, se heurtaient et la comprimaient. Parfois, un amas devenait si dense que la lumière ne pouvait plus s'en échapper — et, directement du gaz incandescent, naissait un trou noir primordial.

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

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.

Une pierre jetée dans l'eau laisse des ronds. Un satellite en orbite autour de la Terre laisse aussi une trace — non pas sur l'eau, mais dans les lois de la physique. Son orbite n'est pas une ligne figée : elle pivote lentement, comme l'aiguille d'une horloge géante.

Les trous noirs peuvent être légers — issus d'étoiles mourantes — ou supermassifs — au cœur des galaxies. Il manquait le chaînon intermédiaire.

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.

Le mystère de l'antimatière disparue hante la physique depuis le milieu du XXe siècle. Le Big Bang aurait dû créer des quantités égales de matière et d'antimatière, mais le monde actuel est presque entièrement matériel.

Deux horloges affichent des heures différentes. L'une est sur notre table, l'autre est loin dans le passé, dans la lueur laissée par le Big Bang. La première, en observant les galaxies proches, mesure la vitesse d'expansion de l'Univers – environ 73 kilomètres par seconde par mégaparsec.

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.

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.

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.

Chaque seconde, des milliards de désintégrations se produisent dans nos corps, mais personne ne le remarque. Les physiciens, eux, le remarquent : ils font entrer en collision des particules dans des accélérateurs et observent en quels fragments elles se dispersent. Dans ces fragments se cache la réponse à la question de savoir pourquoi nous existons.

Une balance avec des poids identiques, mais un plateau qui penche toujours. Dans le monde des particules élémentaires, ce déséquilibre s'appelle la violation de la symétrie CP : les particules et leurs jumeaux miroirs (les antiparticules) se comportent très légèrement différemment.

Des cosmologistes ont mesuré la vitesse à laquelle les galaxies lointaines s'éloignent dans différentes parties du ciel. Pour cela, ils ont utilisé deux types de « règles cosmiques » : les amas de galaxies et les explosions de supernovae d'un certain type.

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.

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.

Lorsqu'un boson W (la particule médiatrice de l'interaction faible) se désintègre en un quark et un antiquark, à la vitesse vertigineuse du collisionneur, ces deux fragments volent presque dans la même direction.

Dans le détecteur LHCb, comme dans une immense chambre contenant des milliards de « clichés », on capture des événements rares : la façon dont des particules à courte durée de vie, les mésons B, se désintègrent en particules plus légères.

En 2017, au Grand collisionneur de hadrons, des protons sont entrés en collision à une énergie de 5,02 TeV.

Un unique antiproton, piégé et refroidi presque au zéro absolu, se comporte comme un diapason qu'il faut frapper très précisément pour entendre un son pur. Capter ce « son » directement est presque impossible – le signal est trop faible.

Dans les premiers instants qui suivent la collision de deux noyaux de plomb au Grand collisionneur de hadrons, une minuscule boule de feu naît : une soupe de quarks où les particules se déplacent librement.

Deux jumeaux se ressemblent, mais l'un est gaucher et l'autre droitier. Dans le monde des particules élémentaires, il existe des paires similaires : Ξ- et son antiparticule Ξ+. Elles naissent ensemble lors de la désintégration de la particule J/ψ et, comme des jumeaux intriqués, restent liées même à distance.

Au centre de notre Galaxie se trouve un trou noir supermassif autour duquel gravitent des étoiles. Leur mouvement évoque une ronde : certaines filent sur des orbites allongées, d'autres sur des orbites presque circulaires.

Au Grand collisionneur de hadrons, en accélérant des particules à des vitesses proches de la vitesse de la lumière, on produit des quarks top — les briques les plus lourdes du modèle standard.

Une balle qui ne perce pas une seule cible, mais laisse des traces dans plusieurs couches de blindage. C'est à peu près ainsi que se comporte la matière noire super-lourde, recherchée pour la première fois dans le détecteur DarkSide-50.

En 2018, le Grand collisionneur de hadrons a mené une collecte de données particulière : le détecteur CMS a capté des collisions de protons à une vitesse effrénée pour accumuler dix milliards de particules contenant un quark beauté.

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.

L'hélium d'un ballon de fête, c'est ce gaz qui le fait s'élever. Mais bien avant les ballons, l'hélium est apparu dans les premières minutes qui ont suivi le Big Bang.

Dans les accélérateurs géants, les particules filent à une vitesse proche de celle de la lumière et se percutent de front. Mais parfois, un faisceau est un peu plus dense que l'autre — comme si, dans un escalator bondé, quelqu'un se tenait du mauvais côté. Alors les collisions se font de manière irrégulière, et les instruments se mettent à « clignoter », faussant les mesures.

Dans le détecteur LHCb du Grand collisionneur de hadrons, des protons entrent en collision et, pendant un bref instant, naissent des particules que l'on ne trouve pas dans la matière ordinaire. L'une d'elles est le méson B neutre.

Dans le détecteur BESIII, les particules jouent une pièce de théâtre : elles entrent en collision, naissent et se désintègrent, laissant des éclairs de lumière. Mais parfois, un acteur peut quitter la scène discrètement — par une porte dérobée que les caméras ne voient pas.

Un caillou tombe dans un étang, et des cercles se propagent à la surface. Mais parfois, le caillou ne coule pas immédiatement : il glisse sous la surface, parcourt quelques mètres, puis remonte, créant des cercles à un endroit inattendu.

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.

À l'intérieur des protons, accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière, naît parfois une particule plus lourde qu'un atome d'or : le quark top. Elle ne vit que des fractions de seconde et se désintègre, laissant une trace dans le détecteur ATLAS.