détection de neutrinos

Au-delà de l'orbite de Neptune s'étend un océan d'îles glacées qui n'a presque pas changé depuis quatre milliards d'années. Ces îles, appelées objets transneptuniens, conservent la recette de la naissance des planètes. Jusqu'à récemment, les astronomes ne voyaient que les plus grandes d'entre elles, tandis que les petites, de la taille d'une ville, restaient invisibles.

Un interprète arrive à une réunion où l'on parle une langue qu'il ne connaît pas. Au début, il doit écouter chaque mot, tout noter mot à mot, puis vérifier avec l'original.

Un neutron enfermé dans un noyau se comporte différemment qu'à l'état libre. Son nuage de gluons, qui maintient les quarks ensemble, se comprime comme un ressort sous charge. Auparavant, on ne pouvait que le supposer, mais désormais, les physiciens ont observé cet effet directement pour la première fois.

Dans la glace antarctique, une particule fantôme ne laisse qu'un faible éclat de lumière bleue. Le détecteur IceCube capture ces éclats, et à partir d'eux, il faut déterminer d'où vient la particule. Le modèle PolarBERT a appris à le faire, mais ce qu'il voit réellement à l'intérieur restait un mystère.

L'Univers nous envoie constamment des signaux, mais beaucoup sont trop faibles pour être perçus. Les neutrinos reliques, ces particules issues du Big Bang, traversent la Terre par milliards chaque seconde, mais en capturer ne serait-ce qu'un seul relève de l'exploit.

Dans les premières secondes après le Big Bang, l'Univers nous a laissé non seulement de la lumière, mais aussi quelque chose de bien plus insaisissable — le fond de neutrinos reliques. Cet écho de la création imprègne chaque centimètre cube, mais nous ne le remarquons presque pas.

Une clôture invisible barre le détroit. On ne peut ni l'escalader ni plonger en dessous : elle n'est pas faite d'acier, mais d'un flux de particules qui traversent la colonne d'eau. C'est ainsi que l'on peut décrire l'idée de détecter les sous-marins nucléaires grâce à leur émission d'antineutrinos.

Une immense sphère remplie de liquide s'illumine lorsqu'une particule insaisissable — un neutrino — la traverse. À l'intérieur, comme des lucioles sur un sapin de Noël, sont suspendus des milliers de tubes qui captent ces éclairs. Pour savoir précisément où la lumière a brillé et quelle énergie est arrivée, il faut connaître la position de chaque tube au millimètre près.

Les biologistes marquent souvent les cellules avec des molécules fluorescentes — c'est comme chercher une faible lueur dans la fumée. La lueur s'éteint vite, et la fumée crée des interférences.

Le spectre du rayonnement gamma ressemble à une palissade : chaque raie est l'énergie exacte que le noyau a cédée au photon. Mais parfois, dans cette palissade, apparaissent des « fantômes » — des raies faibles, décalées d'une même quantité par rapport aux raies principales.

Le tritium radioactif se désintègre et émet un électron. Son énergie est presque toujours la même, mais parfois elle est un tout petit peu plus faible. Ce « manque à gagner » pourrait signifier qu'une autre particule cachée est née en même temps que le neutrino ordinaire.

Les neutrinos sont de minuscules particules qui traversent la Terre sans presque la remarquer. Dans l'expérience MicroBooNE, on les capture dans une cuve d'argon liquide.

Dans une chambre noire où la température n'est que de quatre degrés au-dessus du zéro absolu, repose un cristal de saphir de la taille d'un grain de riz. Lorsqu'un neutrino – particule fantôme qui ne remarque presque pas la matière – le traverse, le cristal frémit et s'échauffe d'une fraction infime de degré.

Dans un solide, les atomes vibrent et transmettent le son. Parfois, cette onde ne se propage pas en ligne droite mais s'enroule en spirale, comme un tire-bouchon qui s'enfonce dans un bouchon. Dans les cristaux ordinaires, ces « tourbillons sonores » sont connus, mais dans les matériaux magnétiques, on ne les avait jamais vus.

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.

Le détecteur MicroBooNE est une grande cuve d'argon liquide qui capture les particules qui le traversent. Lorsqu'une particule passe, elle laisse une traînée de charge et un éclair de lumière. Ces traces se combinent en une image tridimensionnelle de l'événement, comme si la particule dessinait son chemin dans un cube transparent.

Les particules cosmiques dont l'énergie dépasse de millions de fois celle des accélérateurs terrestres frappent l'atmosphère et engendrent une pluie de particules secondaires. Cette pluie émet des ondes radio que captent des antennes au sol.

Dans un champ, un réservoir d'eau qui sert normalement à piéger les particules venues de l'espace surveille désormais la quantité d'humidité dans le sol sous nos pieds. L'eau du réservoir agit comme un piège à neutrons — ces particules minuscules qui s'échappent du sol lorsque des rayons cosmiques le frappent.

Dans un réservoir d'eau pure, les particules se déplaçant plus vite que la lumière dans ce milieu laissent des éclairs bleutés — comme un avion franchissant le mur du son produit un bang. Grâce à ces éclairs, on peut identifier le visiteur : un quantum gamma ou un neutron.

Du plomb antique, resté deux mille ans au fond de la mer, est devenu le cœur d'un détecteur qui traque la substance la plus insaisissable de l'Univers. On en a fait croître un cristal transparent de tungstate de plomb de 13 grammes, refroidi presque au zéro absolu.

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 une pièce sombre, on peut apercevoir une faible lueur bleue autour de certaines sources de radiation. C'est la lumière de Tcherenkov – elle apparaît lorsqu'une particule chargée traverse un milieu plus vite que la lumière ne s'y propage.

L'eau lourde – celle où l'hydrogène ordinaire est remplacé par son cousin plus massif, le deutérium – a été soumise à un courant électrique.

Les ordinateurs quantiques exigent une mémoire fiable. Dans un cristal de diamant — carbone — l'information est stockée sous forme de direction de minuscules aiguilles magnétiques (spins) au niveau de défauts particuliers. Lire ces aiguilles avec de la lumière était peu pratique : l'optique est encombrante pour les puces.