détection de neutrinos à l'argon liquide

Au fond de la montagne, là où l'épaisseur de la roche étouffe les muons des rayons cosmiques, se dresse un détecteur qui ne capte pas la lumière, mais son absence. Le positronium est un atome minuscule, où un électron et son antiparticule, le positron, tournent l'un autour de l'autre comme un couple de danseurs.

Une sphère d'aluminium, du diamètre d'un gros globe, se trouve dans le faisceau de neutrons et répond à chaque impact par une note précise. À l'intérieur de la sphère, il n'y a rien d'autre que de l'azote et onze minuscules billes d'acier, chacune de la taille d'une tête d'épingle.

Imaginez un tapis roulant sur lequel défilent 30 millions de colis chaque seconde, et un contrôleur qui doit décider instantanément de leur contenu : précieux ou déchet.

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.

Le faisceau d'antiprotons frappe la plaque, et chaque impact se disperse en une gerbe de particules chargées. Dans l'expérience GBAR au CERN, ce phénomène est observé non pas avec un détecteur complexe, mais avec une caméra industrielle ordinaire sans objectif, plaquée contre la fenêtre à vide depuis l'extérieur.

Une immense piscine de liquide transparent est cachée profondément sous terre. Il n'y a rien d'autre qu'un « bouillon » d'une pureté extrême qui émet une faible lueur lorsqu'une particule fantôme le traverse. C'est le détecteur JUNO, 20 000 tonnes de scintillateur liquide, construit pour chasser les neutrinos.

Les écoulements massifs de gaz issus des noyaux actifs de galaxie sont un régulateur clé de l'évolution galactique. Ils balayent le milieu interstellaire, étouffent la formation stellaire et dictent la croissance des trous noirs supermassifs.

Un bassin d'eau pure dans lequel tombent de minuscules gouttes presque invisibles. Chacune laisse une ondulation à peine perceptible, et pour la capter, il faut des années de patience.

La lumière laisse une trace, même lorsqu'elle est presque absente. Un photon isolé — un minuscule paquet d'énergie — tombe sur une plaquette de silicium et en arrache une poignée d'électrons. Le problème, c'est que cette poignée est trop petite pour être remarquée. Il faut un amplificateur.

En 1987, les astronomes ont observé l'éclat d'une supernova dans une galaxie voisine, le Grand Nuage de Magellan. Ce fut un cadeau rare : l'explosion était assez proche pour capturer non seulement la lumière, mais aussi les neutrinos (des particules quasi insaisissables qui traversent la Terre de part en part).

Le spectre d'une substance, c'est sa carte d'identité. D'habitude, pour l'obtenir, on place l'échantillon dans un champ magnétique intense, comme dans un IRM. Mais il existe un moyen de s'en passer complètement : enregistrer le signal des noyaux atomiques à champ nul.

Une particule alpha est un noyau d'hélium émis lors de la désintégration d'atomes lourds. Lorsqu'elle frappe un cristal de nitrure de gallium, elle lui cède son énergie et génère une impulsion électrique. La hauteur de l'impulsion permet de connaître l'énergie de la particule.

Le laser frappe une cible faite de fils fins — et en quelques dizaines de femtosecondes (milliardièmes de milliardième de seconde), il en arrache un flux de protons. Ces protons pénètrent dans un convertisseur en lithium et deutérium, où naissent des neutrons.

L'eau ordinaire dans un verre est transparente et calme. Mais si on y ajoute de minuscules points de carbone, fabriqués à partir de sucre et d'acide citrique dans un micro-ondes classique, l'eau se met à briller lorsqu'une particule chargée la traverse.

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.

Une minuscule particule fantôme traverse un morceau de germanium. En général, elle ne laisse aucune trace, mais parfois, telle une boule de billard, elle heurte le noyau d'un atome. Le noyau recule, et cette impulsion peut être détectée. À Oak Ridge, au laboratoire national, le détecteur Ge-Mini a capté de tels reculs pendant deux ans.

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.

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.

Le gaz d'une galaxie brille comme une enseigne au néon, et c'est en observant la couleur de cette lueur que les astronomes déterminent sa température. La logique est simple : plus le gaz contient d'éléments lourds (que les astronomes appellent « métaux »), plus il se refroidit efficacement. Les galaxies riches en métaux devraient donc être plus froides.

Dans l'épaisseur de la glace antarctique, à des profondeurs où la lumière du soleil ne parvient jamais, des antennes sont suspendues. Elles n'écoutent pas des sons, mais des ondes radio – et attendent le signal d'une particule presque impossible à attraper.

Dans l'atelier brûlant d'un métal en fusion, tout glaçon s'évaporerait en un instant. Mais caché dans une épaisse moufle, il resterait intact. La nature a réalisé un tour similaire dans la nébuleuse planétaire NGC 6302.

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 ?

Le nitrure de bore hexagonal en couche mince est un cousin du graphite, mais transparent et isolant. Dans son réseau cristallin, on rencontre parfois des défauts isolés : un atome de bore ou d'azote manque, et à sa place se forme un piège à électrons. Ce piège peut absorber la lumière et la réémettre, comme une minuscule lampe de poche.

Dans une pièce sombre, un chasseur guette un bruissement à peine audible. C'est ainsi que, pendant des années, les physiciens ont tendu l'oreille vers les signaux des particules de matière noire — cette substance invisible qui maintient les galaxies ensemble mais n'émet aucune lumière. Le nouveau détecteur rend cette « ouïe » cent mille fois plus fine.

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.

Au centre de la galaxie NGC 4278 se trouve un trou noir qui éjecte deux jets de plasma — comme un canon géant tirant des particules dans l'espace. Ces jets accélèrent des particules à des énergies que nul accélérateur terrestre n'a jamais égalées.

Dans la salle souterraine du Fermilab se dresse une immense cuve remplie d'argon liquide, un liquide transparent à la température de moins 186 degrés.

Un quasar est un trou noir supermassif au centre d'une galaxie, qui dévore la matière et brille plus intensément que toutes les étoiles environnantes. Une partie de l'énergie est émise sous forme de rayonnement radio, et l'on pensait que celui-ci pouvait chauffer ou éjecter le gaz froid — la matière première des nouvelles étoiles.

Une courte impulsion laser frappe l'air — et à l'endroit de l'impact, un éclair minuscule s'embrase. Il vit plus longtemps qu'on ne le croit : la lueur brillante est encore visible pendant une demi-milliseconde, et la lueur faible pendant près de vingt millisecondes.

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.

À deux kilomètres sous terre, sous l'épaisseur de la roche canadienne, se trouve un réservoir contenant trois tonnes d'argon liquide. L'argon est refroidi à moins cent quatre-vingt-six degrés et est aussi transparent que l'eau.

Les électrons dans un métal, c'est un peu comme la foule dans le métro : chacun vaque à ses occupations, mais à la moindre poussée, tout le monde bouge d'un coup. Cette oscillation collective du gaz électronique, les physiciens l'appellent un plasmon.

Dans les nuages froids et ténus de l'espace, les particules se rencontrent rarement, mais parfois un ion et une molécule neutre passent assez près l'un de l'autre pour s'agglutiner. Ce faisant, ils émettent de la lumière – comme un éclair étouffé qui emporte l'excès d'énergie.

La matière noire est une substance invisible qui maintient les galaxies ensemble mais n'émet pas de lumière. Attraper ses particules, c'est comme entendre un murmure dans une salle bruyante. Les détecteurs ordinaires n'entendent que les coups forts, tandis que les signaux faibles se noient dans le bruit.

Dans les nuages sombres et froids de l'espace où naissent les étoiles, les grains de poussière se recouvrent d'une fine couche de glace. Cette glace n'est pas simplement de l'eau gelée, mais un mélange de différentes molécules : monoxyde de carbone, dioxyde de carbone, azote, et d'autres.

Au centre de presque chaque grande galaxie se trouve un trou noir supermassif. Il attire le gaz et la poussière, et un disque brillant se forme autour de lui. Mais le télescope James Webb a regardé plus loin, dans une région où la lumière du trou noir est plus faible, et pourtant la poussière y brille. Les astronomes ont examiné huit galaxies.

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

Dans une pièce sombre, une cuve d'argon liquide. Parfois, une particule invisible la traverse, heurte un noyau atomique – et une faible lueur jaillit dans le liquide. Grâce à cette lueur, les physiciens tentent de comprendre quelle visiteuse s'est invitée.