diffusion de neutrons

Un réacteur à fusion, c'est comme un four surchauffé où le plasma atteint des millions de degrés. Les parois d'un tel four sont en tungstène : c'est le métal le plus réfractaire qui soit. Mais même le tungstène ne résiste pas sans protection : les particules rapides du plasma bombardent la surface et en arrachent des atomes.

Des balances ultra-sensibles tentent de déceler la différence entre deux grains de sable presque identiques. L'un est le reflet parfait de l'autre, comme dans un miroir. Dans le monde des particules élémentaires, ce reflet miroir est appelé parité P, et sa violation est l'une des plus grandes énigmes de la physique.

Tout en haut des montagnes, là où l'air est pur et silencieux, des physiciens s'apprêtent à attraper des visiteurs insaisissables venus du cosmos : les neutrinos. Ces particules, telles des fantômes, traversent la Terre sans presque laisser de traces. Mais parfois, un neutrino percute un atome, engendrant une pluie de particules que l'on peut observer.

Les neutrinos solaires sont de minuscules particules nées dans les entrailles du Soleil par milliards de milliards chaque seconde. Ils traversent la Terre sans presque la remarquer et ont longtemps été considérés comme absolument stables. Mais peut-être peuvent-ils eux aussi « vieillir » — se désintégrer discrètement, disparaissant en chemin vers nous.

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.

Lorsqu'une étoile massive épuise son carburant, son cœur s'effondre, donnant naissance à une supernova et émettant une pluie pénétrante de neutrinos.

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.

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.

Le cristal La3Ni2O7 ressemble à un gâteau en couches, où la garniture d'atomes de nickel et d'oxygène alterne avec des couches de lanthane.

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.

Lorsqu'on chauffe de la matière à des millions de degrés, elle se transforme en plasma – un mélange d'électrons libres et d'ions, semblable à une soupe bouillonnante de particules chargées. On ne peut pas sonder cette « soupe » avec un thermomètre ordinaire, mais on peut l'éclairer avec des rayons X.

Lorsqu'un faisceau d'ions carbone pénètre dans le corps, il ne libère pas son énergie immédiatement, mais au bout de son trajet, comme un coureur qui donne tout sur la ligne d'arrivée. Les médecins doivent connaître ce point d'arrivée pour ne pas endommager les tissus sains. Mais comment voir à l'intérieur du corps sans incision ?

Un réseau de neurones entraîné sur des collisions de protons et d'électrons a transféré ses compétences à une expérience totalement différente : la capture de neutrinos. Comme un cuisinier qui aurait appris la cuisine française puis, sans préparation, réussirait un excellent plov ouzbek.

Au plus profond des Apennins, dans une cuve contenant trois tonnes de xénon liquide, quelque chose tressaille imperceptiblement tous les quelques jours.

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.

Sous nos pieds, dans l'épaisseur de la planète, se déroule une lente désintégration d'éléments radioactifs. Elle engendre de minuscules particules : les géoneutrinos. Elles traversent la croûte terrestre, le manteau et le noyau sans presque interagir avec la matière.

Un réacteur nucléaire classique ressemble à une chaudière où le combustible brûle uniformément dans tout le volume. Ici, le tableau est différent : le long d'une barre cylindrique en carbure d'uranium rampe lentement une onde de fission — une zone étroite où les atomes se scindent et dégagent de la chaleur.

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.

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.

Dans les expériences de diffusion de particules, la cible est souvent polarisée : on aligne les noyaux de manière à ce que leurs spins pointent majoritairement dans une même direction. Le degré de cet alignement influence le résultat des collisions.

Un douanier ne peut pas démonter une valise pour savoir ce qu'elle contient. Il la passe aux rayons X et, grâce aux ombres sur l'écran, comprend : voilà du métal, voilà de la matière organique. De la même manière, un inspecteur des futurs traités de désarmement nucléaire devra vérifier une ogive — sans l'ouvrir et sans voir son contenu secret.

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.

Un détecteur de matière noire, c'est comme une pièce où l'on essaie d'entendre un chuchotement alors qu'à côté, un poste de radio crache des parasites. Ces parasites sont créés par les atomes de radon, un gaz radioactif qui s'infiltre depuis les matériaux et l'air.

Le métal en fusion ressemble à une salle bondée où tout le monde attend le signal pour commencer à danser. La cristallisation, c'est ce moment où le chaos se transforme en ordre. Mais pour que la danse commence, il faut un premier pas : l'apparition de minuscules germes cristallins. Habituellement, cela exige un refroidissement important du métal.

Le noyau d'un atome a généralement une forme bien définie – allongée comme un melon, ou aplatie comme une citrouille. Mais le silicium-30 se comporte différemment : il semble incapable de décider quelle forme adopter.

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.

La matière noire est la colle invisible qui empêche les galaxies de se désagréger. Dès les années 1930, Fritz Zwicky l'a soupçonnée, et Vera Rubin a prouvé dans les années 1970 que sans elle, les étoiles s'éparpilleraient.

Les neutrinos sont des particules fantômes : prédits par le modèle standard, ils n'interagissent presque pas avec la matière. Les attraper, c'est comme essayer d'entendre un murmure dans le vacarme d'une cascade.

L'antiproton est le jumeau miroir du proton : même masse, mais charge négative. Lorsqu'il s'approche du noyau d'un atome, les particules peuvent s'annihiler, se transformant en rayonnement.

Le noyau atomique n'est pas simplement un sac de protons et de neutrons. C'est un système quantique où les particules sont liées par des fils invisibles d'intrication. Lorsque deux protons ou deux neutrons interagissent, leurs états s'entrelacent de telle sorte qu'il est impossible de décrire l'un sans l'autre.

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.

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.

Les ondes gravitationnelles issues de la fusion d'une étoile à neutrons avec un trou noir portent l'empreinte de la dynamique extrêmement complexe de l'espace-temps.

Quatre atomes de césium flottent dans le vide, maintenus par des pinces laser comme des perles sur un fil invisible. Autour d'eux se trouve un résonateur en anneau, une boucle fermée de miroirs où la lumière circule sans rencontrer d'obstacle.

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.