recul nucléaire

Dans une cuve contenant trois tonnes de xénon liquide, cachée profondément sous terre, quelque chose a bougé un jour. Pas le xénon lui-même, mais l'un de ses noyaux atomiques : il a reçu une impulsion de 248 keV et a rebondi comme une boule de billard heurtée par une boule invisible.

À l'intérieur du noyau atomique, les protons et les neutrons ne restent pas en place comme des petits pois dans une boîte. Chaque particule occupe sa propre orbite – une région de l'espace où on peut la détecter. Plus l'orbite est grande, plus la particule est « étalée ».

Dans la glace antarctique se cache un détecteur de la taille d'un kilomètre cube. Il ne capte pas la lumière, mais des particules fantômes : les neutrinos. Pourtant, il pourrait parfois y apparaître une tout autre bête : une paire de muons nés ensemble et s'éparpillant en un large éventail.

En 1976, des physiciens ont prédit qu'un électron ne se contenterait pas de passer près du noyau, mais pourrait le percuter et lui transférer de l'énergie, le faisant « tressaillir ». Cet effet a été nommé NEEC — excitation nucléaire par capture électronique. Mais pendant près de cinquante ans, il n'a jamais pu être observé en laboratoire.

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.

264 kilomètres par seconde : c'est à cette vitesse que le Système solaire traverse le nuage de matière noire. Son existence a été révélée par les galaxies : elles tournaient trop vite pour que la masse visible les retienne, et Vera Rubin fut la première à soupçonner une charpente cachée.

L'intrication quantique — un phénomène où les états de deux ou plusieurs particules sont corrélés indépendamment de la distance qui les sépare — lie généralement des propriétés internes comme le spin ou la polarisation.

Une boule de billard percute une autre. L'impact — et les boules s'écartent. Mais si le choc n'est pas brusque, mais très progressif, les boules rouleront simplement ensemble, sans rebondir. C'est à peu près ce qui se passe pour un atome lorsqu'une particule de matière noire le frappe.

Lorsqu'une étoile massive meurt, son cœur se contracte et l'explosion d'une supernova se produit. Ce cataclysme engendre des flux de particules, comme les vagues provoquées par une pierre jetée dans l'eau. Les premières à arriver sont les neutrinos rapides, qui traversent la Terre sans presque interagir.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers était une soupe bouillonnante de particules élémentaires. Même les neutrinos légers entraient alors en collision avec tout ce qui se présentait.

Une étoile à neutrons est le noyau mort d'une étoile massive, comprimé à la taille d'une ville. Une cuillère à café de sa matière pèse autant qu'une montagne.

Les détecteurs de matière noire classiques ressemblent à un gardien de but qui attend un tir puissant alors que le ballon roule à peine. Les particules invisibles qui remplissent notre Galaxie se déplacent souvent trop lentement pour être repérées par les capteurs sensibles.

Quand deux corps massifs entrent en collision, ils ne restent pas toujours sur place. Lors d'une fusion, les trous noirs reçoivent un coup de pied puissant — comme le recul d'un coup de feu, mais au lieu de la poudre, c'est la courbure de l'espace qui travaille.

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.

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.

Au milieu du XXe siècle, l'astronome Vera Rubin a découvert que les étoiles aux confins des galaxies se déplacent trop vite — une masse invisible les retient. C'est ainsi qu'est né le mystère de la matière noire. Elle n'émet pas de lumière, mais se manifeste par la gravitation.

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 ?

Une balle qui ne perce pas une seule cible, mais laisse des traces dans plusieurs couches de blindage. C'est à peu près ainsi que se comporte la matière noire super-lourde, recherchée pour la première fois dans le détecteur DarkSide-50.

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.

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.

Au cœur de chaque galaxie sommeille un trou noir supermassif. Lorsqu'il dévore de la matière, ses environs s'embrasent : c'est un noyau actif. Comment savoir si des éruptions ont eu lieu par le passé, alors que le trou noir se tait ? La réponse nous vient de l'écho lumineux.

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.

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.