muon

Dans la glace antarctique se cache un détecteur de la taille d'un kilomètre cube. Il ne capte pas la lumière, mais des particules fantômes : les neutrinos. Pourtant, il pourrait parfois y apparaître une tout autre bête : une paire de muons nés ensemble et s'éparpillant en un large éventail.

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.

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.

La collision de deux étoiles à neutrons est un laboratoire cosmique où la matière est comprimée à des densités inimaginables. Dans les premiers instants après la fusion, un nuage brûlant se forme et se refroidit en émettant des neutrinos.

Au cœur d'une étoile à neutrons — le vestige d'une étoile explosée — la matière est si comprimée qu'une cuillère à café pèse des milliards de tonnes. Parmi cette matière hyperdense, une variété particulière de force pourrait agir, une qui ne concerne que les neutrinos muoniques et tauiques.

Au plus profond de la Terre, dans l'épaisseur du granit, des détecteurs capturent de rares visiteurs venus du cosmos — des muons. Ces particules naissent en haute atmosphère lorsque les rayons cosmiques percutent les noyaux des atomes de l'air.

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.

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.

Un immense réservoir d'eau ultrapure est caché profondément sous terre au Japon. Ses parois sont tapissées de milliers de lampes sensibles à la lumière qui capturent de faibles flashs — les traces de particules fantômes traversant la masse d'eau.

Un interprète qui, à mi-chemin de la salle, se met soudain à traduire à l'envers. C'est à peu près ce qui pourrait arriver à un neutrino — cette particule fantôme qui ignore presque la matière — si son chemin croise un nuage de matière noire ultralégère.

La fusion d'un proton avec du bore-11 promet une énergie sans neutrons nocifs – seulement des particules chargées, facilement convertibles en électricité.

Un grain de poussière flotte dans l'air, maintenu par un faisceau de lumière invisible. Autour de lui, l'air est ordinaire, mais parfois une minuscule étincelle traverse le grain. Pour la première fois, des scientifiques ont observé de telles décharges de près et ont découvert qu'elles ne sont pas déclenchées par le grain lui-même, mais par des visiteurs invisibles venus du cosmos et du sol.

Dans les premières minutes qui ont suivi le Big Bang, l'Univers a préparé un cocktail d'hydrogène, d'hélium et d'une pincée de lithium.

Pendant un orage, le ciel fonctionne comme une pile géante : la charge électrique s'accumule dans le nuage, et l'éclair la décharge. Cette charge est invisible, mais les particules cosmiques — les muons, qui pleuvent constamment sur la Terre depuis l'espace — la ressentent.

Deux étoiles faibles tournent si près l'une de l'autre que l'une attire la matière de l'autre, comme une cuillère qui écume délicatement un bouillon. Pour la première fois, des astronomes ont calculé le destin de ces paires – les naines ultra-froides et les naines brunes, les habitants les plus froids et les plus ternes de la galaxie.

Dans un anneau souterrain de 27 kilomètres de circonférence, des protons sont accélérés jusqu'à une vitesse proche de celle de la lumière puis projetés frontalement les uns contre les autres. Au point d'impact, des conditions comparables à celles qui régnaient dans le premier billionième de seconde après la naissance de l'Univers sont créées pendant un instant.

Deux équipes de radiotélescopes ont pointé leurs antennes vers deux nuages de gaz : l'un au cœur même de la Voie lactée, l'autre dans ses paisibles confins. Dans les deux nuages se trouvent des molécules de méthanol — un alcool qui, dans l'espace, agit comme un minuscule pendule : il absorbe et émet des ondes radio à des fréquences très précises.

Le noyau atomique suit généralement ses propres lois : sa désintégration ne dépend ni de la température, ni de la pression, ni des voisins dans la molécule. Mais l'isotope uranium-235m fait exception. Ce noyau est dans un état excité, comme un ressort tendu, et il finit par libérer son excès d'énergie.

Quelque part au-dessus de nos têtes, chaque seconde, un proton accéléré à une énergie des millions de fois supérieure à celle du Grand collisionneur de hadrons percute l'atmosphère. Il frappe une molécule d'air, et une cascade naît – une large pluie atmosphérique de milliers de particules.

Chaque seconde, des particules invisibles venues de l'espace — les rayons cosmiques — percutent l'atmosphère terrestre. En entrant en collision avec les molécules d'air, elles génèrent des cascades de particules secondaires, parmi lesquelles les muons sont particulièrement nombreux.

Un muon, c'est comme un électron, mais 207 fois plus lourd. Lorsqu'il pénètre dans la matière, il ralentit comme une balle dans une épaisse couche de sable, et à chaque virage de sa trajectoire, il émet des rayons X. Ces rayons permettent de savoir quels atomes le muon a rencontrés — c'est le principe de la méthode MIXE.

Le muon, c'est comme un électron, mais environ 200 fois plus lourd. Lorsqu'il s'arrête dans un morceau de silicium, il est attiré dans le noyau atomique comme un aimant attire un clou. Le noyau reçoit un surplus d'énergie et se met à « bouillonner » : il en sort diverses particules — protons, deutons, tritons et particules alpha.

Dans les années trente, Wolfgang Pauli comprit que sans de minuscules particules fantômes, l'énergie des étoiles ne quadrait pas. Ainsi naquirent les neutrinos — d'insaisissables vagabonds qui traversent tout.

Dans le vide, tous les objets tombent avec la même accélération – c'est le fondement de la gravité d'Einstein. Mais jusqu'à présent, cette règle n'a été vérifiée que sur des particules de matière ordinaire.

Le muon est une toupie minuscule qui tourne dans la mer agitée du vide. Son axe magnétique pointe légèrement à côté de ce que prédit le modèle standard. L'écart n'est que de quelques millionièmes, mais pour les physiciens, c'est une véritable énigme. Le vide n'est pas un calme plat.

Pendant 36 jours, le cyclone tropical Freddy a fait rage au-dessus de l'océan Indien, le plus long de l'histoire des observations. Les météorologues le suivaient depuis des satellites, des avions et des stations au sol. Mais un détail échappait à tous les instruments : la densité exacte de l'air au cœur du vortex.