xénon liquide

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.

Dans une cuve contenant trois tonnes de xénon liquide, cachée profondément sous terre, quelque chose a bougé un jour. Pas le xénon lui-même, mais l'un de ses noyaux atomiques : il a reçu une impulsion de 248 keV et a rebondi comme une boule de billard heurtée par une boule invisible.

Dans le microscope qui voit les atomes individuels, règnent le froid et le silence : la température est d'environ -268°C et l'intérieur est sous vide parfait. Pour déposer des atomes de fer individuels sur une telle scène, il faut généralement un « couloir » direct entre l'évaporateur et l'échantillon.

Un faisceau laser frappe une fine cible cachée à l'intérieur de couches d'un autre matériau. En quelques milliardièmes de seconde, la matière est comprimée jusqu'à une densité de 25 grammes par centimètre cube — c'est comme si un morceau de plomb devenait plus de deux fois plus lourd tout en restant en place.

Personne n'a jamais vu la matière noire, mais elle devrait traverser les détecteurs comme le vent à travers les feuilles. Parfois, très rarement, une particule de matière noire heurte le noyau d'un atome – et le détecteur doit alors capter cette secousse.

Une boule de billard est suspendue en l'air. De petites billes sont tirées sur elle depuis un tube soufflant. Chaque impact est à peine perceptible, mais si la boule est très légère et ne tremble presque pas à cause de la chaleur, on peut distinguer les chocs individuels.

À l'intérieur du Soleil, des réactions peuvent produire des particules légères et presque insaisissables : les axions. L'une de ces réactions génère des axions avec une énergie de 5,49 MeV, comme si chacun portait l'énergie d'une balle de tennis filant à 100 km/h.

Un cristal d'iodure de sodium dopé au thallium, c'est comme un film photographique pour particules invisibles. Lorsqu'un quantum gamma ou une hypothétique particule de matière noire le frappe, il émet une faible lueur. Deux photomultiplicateurs en silicium, plaqués contre les extrémités du cristal, capturent cette lueur des deux côtés.

Le radiotélescope FAST, avec son antenne de cinq cents mètres, a capté un signal sur une longueur d'onde de 21 centimètres – c'est ainsi que l'hydrogène froid émet. Le signal provenait d'un nuage baptisé Cloud-9. Il flotte dans l'espace à côté de la galaxie M94, mais ne renferme pas une seule étoile.

Dans un cristal bidimensionnel de diséléniure de tungstène (WSe₂), la lumière crée des paires — un électron et un trou — qui restent liés. Ces paires sont appelées excitons. Parmi elles, certaines sont « sombres » : elles n'émettent presque pas, mais ce sont elles qui donnent le ton à basse température.

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.

À neuf heures du matin, le détecteur DarkSide-50, à 1400 mètres sous le mont Gran Sasso, enregistre une faible impulsion d'ionisation. Vers onze heures du soir, la fréquence de tels événements diminue nettement.

Les technologies quantiques ont un besoin crucial d'un « traducteur » universel entre les langages des micro-ondes et de la lumière. Les qubits supraconducteurs communiquent sur des ondes centimétriques, tandis que les photons dans les fibres optiques utilisent des fréquences optiques.

La matière noire ne laisse aucune trace dans les détecteurs ordinaires — elle les traverse comme le vent à travers une étamine. Pour la remarquer, il faut des instruments capables de ressentir le coup d'un moustique dans une tempête.

Un laser, ce n'est pas que de la lumière. Si l'on fait osciller une particule comme un pendule et que ces oscillations s'auto-entretiennent, on obtient un laser phononique. Cela semble compliqué, mais l'idée est simple : au lieu d'ondes lumineuses, l'appareil émet des ondes mécaniques régulières — des phonons.

Les détecteurs de matière noire sont des microphones d'une sensibilité incroyable, capables d'entendre un murmure au milieu du vacarme d'un concert de rock. Ils cherchent les rares secousses provoquées par les particules de matière noire.

Chaque seconde, environ une centaine de particules invisibles traversent notre corps : les muons. Ils naissent haut dans le ciel, lorsque les rayons cosmiques percutent les atomes de l'air, et pleuvent sur la Terre.

L'histoire commence par une perplexité : dans les années 1930, Fritz Zwicky remarque que les amas de galaxies se comportent comme s'ils recelaient une immense masse invisible. Un demi-siècle plus tard, Vera Rubin confirme : les étoiles aux confins des galaxies tournent trop vite pour être retenues par la seule matière visible.

Dans une pièce sombre, une perle de verre de la taille d'un grain de poussière est suspendue dans un faisceau laser. En dessous, deux miroirs : l'un en aluminium, l'autre en argent.

La matière noire échappe toujours à l'observation directe, bien que sa gravité maintienne les galaxies ensemble. Une des hypothèses : elle serait constituée d'axions, des particules très légères prédites par la théorie du modèle standard.

Un détecteur rempli d'hélium-4 superfluide ressemble à un lac parfaitement calme. Le liquide ne clapote pas, ne bouillonne pas — il est figé dans un état quantique unique. Un visiteur invisible le traverse — une particule de matière noire. Elle-même n'émet pas de lumière et ne laisse aucune trace.

Une étoile à neutrons est le noyau mort d'une étoile massive, comprimé à la taille d'une ville. Une cuillère à café de sa matière pèse autant qu'une montagne.

Une minuscule bille de verre est suspendue dans un faisceau laser, comme une poussière dans un rayon de soleil. Autour d'elle, un gaz raréfié : des atomes de krypton, de xénon et de lourdes molécules d'hexafluorure de soufre.

Un nuage froid d'atomes ressemble à un essaim de lucioles qui se tirent les unes vers les autres. L'attraction entre les atomes tente de les rassembler en une boule compacte. Mais le frémissement quantique — le mouvement irréductible des particules — empêche la boule de s'effondrer. Lorsque l'attraction est forte, le nuage se fragmente en amas distincts.

Une plaquette de silicium épaisse comme un demi-cheveu attrape une particule qui passe, comme une paume attrape une goutte de pluie. Mais si la goutte est un proton accéléré à une énergie énorme, la paume peut se brûler. À l'intérieur du détecteur, une avalanche de charge naît, et parfois elle suffit à percer un trou microscopique.

Dans une pièce sombre, une lampe invisible clignote. Sa lumière n'est pas ordinaire : elle n'a pas de luminosité constante, seulement des impulsions rares mais puissantes. C'est un vide comprimé brillant — un état de la lumière sans onde ordinaire, mais avec de fortes fluctuations quantiques.

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

Une aiguille métallique descend sur un morceau de supraconducteur. Tout se passe à l'intérieur d'un réfrigérateur qui refroidit l'échantillon à 30 millièmes de degré au-dessus du zéro absolu — cent fois plus froid que l'espace interstellaire.

Une antenne ordinaire capte les ondes radio, mais il existe des champs qu'elle perçoit à peine. Il s'agit des champs électriques lents, qui varient une fois par seconde ou moins. Pour eux, des physiciens ont construit un capteur à partir d'un faisceau d'atomes de rubidium.

Sous terre, dans une ancienne mine d'or, se trouve une cuve remplie de xénon liquide. Si une particule de matière noire la traverse, le xénon émet un éclair. Mais il en émet aussi sous l'effet de particules ordinaires, comme les neutrinos ou les résidus de radioactivité.

La caméra qui repère les tumeurs fonctionne comme un appareil photo très sensible : elle capte la faible lueur émise par la substance accumulée dans les cellules malades. Dans les appareils classiques, la lumière naît dans un cristal, un morceau solide semblable à du verre.

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.

Une casserole d'eau bouillante sur la cuisinière : plus la flamme est forte, plus l'eau est chaude et plus la vapeur s'échappe. C'est à peu près ainsi que se comporte le gaz chaud dans les amas de galaxies. Mais dans les petits groupes de galaxies, cette « vapeur » s'échappe plus vite que ne le laisserait attendre la température.

Dans une cuve sombre de trente tonnes, l'eau s'illumine lorsqu'une particule fantôme la traverse. Le neutrino interagit à peine avec la matière, mais il lui arrive de heurter un atome, et c'est alors une lueur qui naît. Pour l'attraper, on ajoute à l'eau une substance spéciale — un scintillateur liquide — qui amplifie la lumière.

Dans une mine sombre sous les Alpes italiennes, une cuve contient trois tonnes de xénon liquide. Lorsqu'une particule y pénètre, elle arrache aux atomes de faibles flashs de lumière et des nuages d'électrons.

Au fond d'une mine canadienne se trouve un réservoir contenant 3269 kilogrammes d'argon liquide – un liquide transparent semblable à de l'eau très froide.

Dans le froid profond, à une température de seulement deux degrés au-dessus du zéro absolu, une cavité en cuivre de la taille d'une casserole écoute le silence de l'Univers.

Dans l'épilepsie, le médecin ajuste la dose du médicament presque à l'aveugle. Trop peu : les crises persistent. Trop : des effets secondaires apparaissent. En général, le sang du patient est envoyé au laboratoire et le résultat arrive un jour ou deux plus tard. Désormais, la même analyse peut être réalisée sur une minuscule puce en silicium.

Un détecteur de matière noire, c'est comme une pièce où l'on essaie d'entendre un chuchotement alors qu'à côté, un poste de radio crache des parasites. Ces parasites sont créés par les atomes de radon, un gaz radioactif qui s'infiltre depuis les matériaux et l'air.

L'univers est maintenu par une charpente invisible de matière noire. Peut-être qu'une partie de celle-ci est constituée de photons sombres, des copies fantomatiques de la lumière qui traversent la matière.