tomographie muonique

La croûte de glace de Triton ressemble à une porte verrouillée menant à une cave où l'eau clapote derrière le mur. Nous ne pouvons pas l'ouvrir, mais nous pouvons coller notre oreille et écouter l'écho des pas : comment le champ magnétique de Neptune résonne dans l'épaisseur du satellite, comment la glace tremble sous des impacts lointains.

Les rayons gamma sont la lumière la plus énergétique de l'Univers. Mais une partie d'entre eux, d'énergie intermédiaire, est restée longtemps invisible : les instruments ne pouvaient pas les détecter, laissant un vide dans le ciel. Les scientifiques l'appellent le « vide du MeV », d'après l'unité d'énergie que portent ces rayons.

La lumière qui n'atteint pas la caméra laisse pourtant sa trace sur elle. C'est ainsi que fonctionne la nouvelle méthode de prise de vue : on éclaire l'objet avec une couleur, et l'image est assemblée à partir d'une autre. Dans le cristal, les ondes lumineuses se mélangent, et l'information sur l'invisible passe au faisceau visible.

Un conteneur maritime, c'est un coffre-fort en acier de la taille d'une pièce, rempli de marchandises. Le sonder aux rayons X est difficile : les parois épaisses et la cargaison dense étouffent les rayons. Les muons viennent à la rescousse — ce sont des particules qui naissent haut dans le ciel et tombent en permanence sur la Terre.

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.

Dans une petite boîte de Pétri, une goutte de liquide de la taille d'une tête d'épingle. Un scanner IRM classique ne la verrait même pas : le signal est trop faible. Mais si l'on approche un minuscule capteur de champ magnétique de la goutte, tout change.

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.

Quand il faut observer l'intérieur du cerveau, on allonge généralement le patient dans le tube exigu d'un appareil d'imagerie par résonance magnétique, ou on l'expose aux rayons X d'un scanner. Ces deux méthodes sont coûteuses, encombrantes et pas toujours disponibles.

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.

Lorsque les premières étoiles se sont allumées, leur lumière ultraviolette a commencé à arracher les électrons des atomes d'hydrogène. L'univers, de brouillard neutre, s'est transformé en plasma transparent.

Chaque galaxie flotte dans un nuage de gaz invisible, comme un fruit dans un sirop. Ce gaz est un reste du matériau de construction à partir duquel les étoiles se sont formées, et il est constamment alimenté par de nouvelles portions provenant de l'espace intergalactique. Le voir directement est presque impossible : il est trop ténu et trop froid.

Une minuscule étoile d'or fond sous le faisceau d'un microscope électronique, et ses branches s'arrondissent lentement. Autrefois, un tel processus ne pouvait être observé que par images fixes prises à de longs intervalles, et le faisceau lui-même modifiait l'échantillon.

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.

Au plus profond de la terre, dans une ancienne mine d'or en Australie, se trouve un laboratoire où le silence n'est troublé que par de rares éclairs de lumière. Ces éclairs sont les traces de particules cosmiques qui traversent des centaines de mètres de roche. Huit panneaux en plastique, semblables à de grandes feuilles lumineuses, capturent ces particules.

Lors des collisions de noyaux lourds, une boule de feu de milliers de particules est créée. Parmi elles, on trouve des pions et des kaons, deux types de particules légères qui se ressemblent beaucoup. Pour comprendre ce qui se passe dans cette boule de feu, les physiciens doivent savoir exactement combien de particules de chaque type ont été émises.

Un orage gronde au loin, et pourtant le compteur Geiger crépite déjà plus vite. C'est ainsi que les rayons cosmiques — ce flux de particules chargées venues des profondeurs de l'espace — nous rappellent leur présence.

La lumière quantique n'est pas simplement un flux de particules, mais un motif complexe tissé d'espace et de temps. Un photon unique peut être étiré, comprimé, réparti dans différentes directions.

La pointe d'un microscope à effet tunnel plane au-dessus de la surface à une distance inférieure au diamètre d'un atome. D'habitude, elle sonde le relief comme un doigt lit une page en braille. Désormais, cette même pointe a appris à écouter les frémissements d'une membrane de la taille d'un ongle.

Dans les années 1930, Fritz Zwicky, en observant l'amas de la Chevelure de Bérénice, a remarqué des vitesses anormalement élevées des galaxies : leur mouvement indiquait la présence d'une immense masse cachée, liant gravitationnellement le système.