diffraction de neutrons

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.

Le neutron est une particule qui se trouve généralement dans le noyau atomique et ne disparaît jamais. Mais certaines théories suggèrent qu'il pourrait parfois se transformer en son double invisible — une particule impossible à détecter avec les détecteurs ordinaires.

L'antiproton est le jumeau miroir du proton : même masse, mais charge négative. Lorsqu'il pénètre dans la matière, il s'annihile généralement instantanément – il disparaît en libérant de l'énergie après avoir percuté le noyau d'un atome.

À neuf heures du matin, le détecteur DarkSide-50, à 1400 mètres sous le mont Gran Sasso, enregistre une faible impulsion d'ionisation. Vers onze heures du soir, la fréquence de tels événements diminue nettement.

Lors de la thérapie par capture de neutrons par le bore, on injecte au patient du bore-10, qui s'accumule sélectivement dans la tumeur. On irradie ensuite la tumeur avec des neutrons. Lorsqu'un neutron pénètre dans le noyau de bore, il provoque sa fission en hélium et en lithium — l'énergie libérée détruit la cellule cancéreuse.

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.

Un microscope ordinaire est impuissant lorsqu'il s'agit d'observer un virus isolé dans les moindres détails. Trop petit. Mais il existe un instrument qui émet des éclairs des milliards de fois plus brillants que la lumière du soleil — le laser à rayons X à électrons libres.

Dans les profondeurs de l'océan, là où la lumière ne parvient pas, naît un plan pour capturer des particules qui n'interagissent presque avec rien. Les géoneutrinos, de minuscules messagers venus du manteau incandescent, sont émis lors de la désintégration de l'uranium et du thorium.

Les étoiles à neutrons sont les vestiges ultra-compacts d'étoiles, où la matière est compressée à la limite décrite par Subrahmanyan Chandrasekhar.

Un détecteur rempli d'hélium-4 superfluide ressemble à un lac parfaitement calme. Le liquide ne clapote pas, ne bouillonne pas — il est figé dans un état quantique unique. Un visiteur invisible le traverse — une particule de matière noire. Elle-même n'émet pas de lumière et ne laisse aucune trace.

Un manège de lumière ne fait pas tourner des gens, mais des électrons. Au lieu de chevaux de bois, ce sont des pales invisibles de lumière. C'est exactement ce « manège » que des physiciens ont construit pour donner une rotation aux électrons. Habituellement, pour transformer un flux d'électrons en tourbillon, il faut un minuscule masque — un pochoir avec des fentes, gravé à l'échelle atomique.

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.

Dans le cristal Rb1-xV2Te2O, les spins des atomes de vanadium s'alignent en damier : chaque spin est entouré de spins opposés. Ce motif est appelé antiferromagnétisme de type G.

Un cristal sans centre de symétrie ressemble à une pièce dont les murs seraient en miroir d'un côté et en verre dépoli de l'autre : le reflet ne correspond pas à l'original. De tels matériaux se comportent souvent de manière inhabituelle, car les électrons y ressentent la distorsion du réseau.

Le neutron est une particule sans charge électrique, et il est difficile de l'attraper : il traverse les appareils comme une balle traverse le brouillard. Dans les expériences ordinaires, il n'a qu'un seul passage à travers le cristal, et toutes les mesures se font en un éclair.

À la surface d'un film mince d'oxyde de bismuth-fer, on distingue de fines stries régulières, comme les sillons d'un champ labouré. Ce qui se trame en dessous était jusqu'ici un mystère.

Le noyau atomique n'est pas simplement une boule de protons et de neutrons. À l'intérieur, comme dans un minuscule aimant, il possède sa propre distribution d'aimantation. Jusqu'à présent, il était difficile de l'observer : les noyaux vivent des fractions de seconde à peine, et leur champ magnétique est faible.

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.

Le neutron, particule au sein du noyau atomique, peut vivre dans deux mondes : le nôtre et le monde miroir. Dans ce monde miroir existe son jumeau, invisible pour nos instruments. Si un neutron ordinaire saute parfois dans le monde miroir et revient, une partie des neutrons d'un piège semble se dissoudre dans l'air.

Une caméra qui ne capture pas la lumière mais un flux d'électrons réfléchis par un cristal, c'est un détecteur hybride à pixels. Il sait compter chaque électron qui l'atteint, en ne générant presque aucun bruit propre. En mode normal, lorsque le faisceau d'électrons s'écoule en continu, le détecteur fonctionne parfaitement.

Si vous jetez une pierre dans un étang, des cercles se propagent à la surface. Dans un aimant, il y a aussi des ondes — mais ce ne sont pas les molécules d'eau qui oscillent, ce sont les directions des flèches magnétiques des atomes. Ces ondes sont appelées magnons, et leur comportement en dit long sur les forces invisibles entre les atomes.

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

Le microscope électronique balaie l'échantillon et enregistre en chaque point la façon dont les électrons sont diffusés par les atomes. On obtient une pile gigantesque d'images – une par point.

Un morceau de plastique dense de la taille d'une pièce de monnaie s'illumine lorsqu'une particule invisible le traverse. C'est ainsi que fonctionnent les scintillateurs : des matériaux qui convertissent les radiations en une faible lumière. On les fabrique généralement à partir de cristaux fragiles ou de polymères coûteux.

Lorsqu'on refroidit le cristal Fe₄Nb₂O₉ à -272°C, il adopte un motif magnétique où les aiguilles atomiques ne s'alignent pas en rangées, mais s'évasent en éventail. C'est comme si une foule se figeait, chacun regardant dans une direction différente au lieu de fixer la nuque de son voisin.

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.

Le champ magnétique est invisible, mais on peut le faire « briller ». Pour cela, on prend un minuscule diamant avec des défauts — des endroits où un atome de carbone est remplacé par de l'azote, et où une lacune voisine se trouve dans le réseau.

Les neutrinos sont les particules connues les plus insaisissables. Chaque seconde, des milliards de milliards de neutrinos provenant du Soleil traversent votre corps sans que vous vous en aperceviez : ils interagissent à peine avec la matière.

La matière visible n'est qu'une goutte dans l'océan du bouillon cosmique. L'essentiel de l'univers est constitué de matière noire invisible, dont la gravité empêche les galaxies de s'éparpiller. Le meilleur candidat pour ce rôle est le neutrino stérile, une particule fantôme qui n'est reliée à nous que par un pont ténu.

Dans un immense spectromètre à Karlsruhe, semblable à un gigantesque fût métallique, on capture des particules quasi impossibles à attraper. Les neutrinos sont les fantômes du monde microscopique : chaque seconde, des trillions de ces particules traversent votre corps sans que vous vous en aperceviez. Mais ils ont une masse, et les scientifiques veulent la mesurer.

Une sphère de silicium de 166 nanomètres de diamètre flotte dans un faisceau laser infrarouge. La pression est inférieure à 10⁻⁸ mbar, et la température de mouvement est d'environ 10 millikelvins. C'est plus froid que le rayonnement fossile.