gamme de masses

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.

Dans l'obscurité totale d'une chambre à vide flotte un minuscule aimant. Il ne touche pas les parois et ne perd presque pas d'énergie – un gardien idéal, prêt à capter la plus faible impulsion. C'est exactement le genre de gardien nécessaire pour la chasse aux axions.

L'Univers est rempli d'une masse invisible — la matière noire, dont Fritz Zwicky a parlé pour la première fois dans les années 1930. Aujourd'hui, les meilleurs candidats sont les axions, des particules au-delà du modèle standard.

Une mer qui imprègne tout l'espace reste invisible pour nous. Cette mer, c'est la matière noire, et les vagues à sa surface sont des particules appelées axions. Elles sont si légères et si insaisissables qu'elles traversent la Terre sans même la remarquer.

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.

La matière noire est une fenêtre invisible qui déforme la lumière des galaxies. C'est Vera Rubin qui l'a découverte, en remarquant que les étoiles se déplacent trop rapidement. Peut-être cette fenêtre est-elle faite d'axions – des particules des milliards de fois plus légères que l'électron, imaginées par [scientist:Roberto D.

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.

Une loupe concentre la lumière du soleil en un point brillant. Si le verre présente un défaut minuscule, la tache lumineuse se déforme. C'est à peu près ainsi que fonctionne la lentille gravitationnelle : une galaxie massive courbe les rayons lumineux d'une source plus lointaine, créant une image agrandie et parfois déformée.

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.

La matière noire est invisible, mais sa gravité régit le mouvement des galaxies. De quoi est-elle composée ? C'est une énigme. Une idée : ce sont des particules ultra-légères, semblables aux axions.

Les détecteurs de matière noire classiques ressemblent à un gardien de but qui attend un tir puissant alors que le ballon roule à peine. Les particules invisibles qui remplissent notre Galaxie se déplacent souvent trop lentement pour être repérées par les capteurs sensibles.

Dans une ville bruyante, on essaie d'entendre un grillon. Il est discret, et autour, les voitures grondent. Pour capter son chant, on installe un microphone sensible et on appuie sur le bouton de réduction du bruit.

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.

Dans les premiers centaines de millions d'années après le Big Bang, le cosmos ressemblait à un club de jeunes bruyant : les galaxies s'allumaient, entraient en collision, et formaient des étoiles par centaines.

Au Grand collisionneur de hadrons, les protons entrent en collision à une vitesse proche de celle de la lumière. Parfois, ils ne se brisent pas, mais échangent des photons, des particules de lumière.

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.

Les rayons cosmiques ne sont pas de la lumière, mais des particules chargées qui bombardent la Terre de toutes parts. La plupart sont des protons (noyaux d'hydrogène), mais on trouve aussi des noyaux plus lourds : hélium, azote, fer.

Les trous noirs ne sont pas des gouffres silencieux, mais des diapasons naturels. Leur rotation vertigineuse, prédite par Roger Penrose, fait chanter l'espace-temps lui-même, engendrant un flux de particules ultralégères, les axions.

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.

Au cœur des Apennins italiens, sous une épaisse couche de roche, se trouve un cristal qui capture chaque désintégration de l'américium radioactif. L'américium émet des rayons gamma d'une énergie de 59,5 kiloélectronvolts, comme une sonnerie très aiguë qui retentit toujours à l'identique.

Dans les transitions nucléaires du béryllium-8, de l'hélium-4 et du carbone-12, les physiciens de la collaboration ATOMKI observent depuis 2020 des événements en excès — comme si, lors de la désintégration d'un noyau excité, quelque chose d'autre naissait parfois, en plus des photons ordinaires.

Dans la pièce sombre du détecteur, l'argon attend. Lorsqu'une particule invisible le traverse – par exemple un candidat matière noire – elle pousse légèrement le noyau d'argon. Le noyau se met en mouvement et des charges apparaissent autour de lui. Combien de charges exactement ?

Dans sa prime enfance, l'Univers était un mélange de particules aussi chaud que le plasma. Quelques microsecondes après le Big Bang, alors qu'il refroidissait, la température a légèrement fluctué.

Un résonateur métallique, refroidi presque au zéro absolu, écoute le bruit radio de l'Univers. Parmi le chaos des fluctuations thermiques et de l'électronique, un pic faible pourrait apparaître — la trace d'un axion, une particule qui pourrait constituer la matière noire.

La matière noire est comme une colle invisible qui maintient les galaxies ensemble. Elle n'émet pas de lumière, mais si ses particules entrent en collision, un éclair de rayonnement gamma peut se produire.

Une casserole sur la cuisinière chante lorsque l'eau bout. Une tasse en cuivre vide peut aussi « chanter » à la fréquence des ondes radio, si une particule de matière noire naît à l'intérieur. Ces particules sont appelées axions et, selon une hypothèse, elles remplissent toute la galaxie d'un nuage invisible.

L'électron est une particule minuscule, mais dans un cristal, il se comporte comme s'il avait une masse différente. C'est ce qu'on appelle la masse effective. Pour la mesurer, les physiciens font courir les électrons en rond dans un champ magnétique — comme un patineur sur une patinoire à qui l'on ne permet pas de quitter son orbite.

La matière noire n'émet ni ne réfléchit la lumière, mais son attraction empêche les galaxies de se disloquer. De quoi est-elle faite ? C'est une énigme. L'un des principaux candidats est l'axion, une particule extrêmement légère.

Les rayons cosmiques, c'est un peu comme une pluie battante qui tombe de partout. Mais qu'un vent se lève, et les gouttes changent de direction. Ainsi, une tempête solaire — un nuage de gaz magnétisé éjecté par le Soleil — courbe la trajectoire de ces particules qui, d'ordinaire, pleuvent uniformément sur la Terre.

Au laboratoire DESY, l'expérience ALPS II a été lancée pour traquer les axions — ces particules fantômes hypothétiques dont pourrait être faite la matière noire. Cette masse invisible agit comme une armature qui empêche les galaxies de se disperser sous l'effet de leur rotation.

Les sursauts radio rapides sont de brillantes éruptions cosmiques qui, tel un coup de pistolet de départ, lancent une course d'ondes radio à travers l'Univers. Les astronomes les ont utilisés pour vérifier si le photon — la particule de lumière — possède une masse.

Il y a cent ans, les observatoires magnétiques n'enregistraient que les lentes respirations du noyau terrestre. Aujourd'hui, leurs données deviennent un terrain de chasse pour la physique des particules.

Au fond du cryostat, sous les couches de bobines supraconductrices, repose une pile de centaines de couches semiconductrices. Chaque couche a une épaisseur de quelques nanomètres : de l'arséniure de gallium, puis de l'arséniure d'aluminium-gallium. Les électrons à l'intérieur de ces couches sont confinés dans un plan, comme des fourmis sur une feuille de papier.

Le radiomètre ARCADE2, embarqué sur un ballon stratosphérique, a détecté un excès de rayonnement radio, tandis que l'expérience au sol EDGES a observé un creux anormalement profond dans le spectre de l'hydrogène à 21 cm.

La nuit, au-dessus de la taïga sibérienne, une faible lueur bleue scintille parfois. Ce n'est pas une aurore boréale, mais une pluie cosmique : une particule venue du fin fond de l'espace percute l'atmosphère et se fragmente en des millions de particules secondaires. Elles foncent vers le sol en un front large, comme une onde provoquée par une pierre jetée dans l'eau, et font briller l'air.

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.