accélérateur de particules

Une impulsion laser frappe un nuage de gaz et en arrache les électrons, laissant derrière elle une bulle, une cavité où il n'y a presque plus de particules. Cette bulle traverse le plasma à une vitesse proche de celle de la lumière, et ses parois entraînent les électrons qui s'y trouvent, comme un hors-bord tire un skieur nautique.

Pendant trois jours d'affilée, un laser a frappé un jet de gaz, et à chaque seconde naissait un faisceau d'électrons avec une énergie comparable à celle d'un petit éclair. Auparavant, de tels faisceaux n'étaient obtenus que dans d'immenses halls, où l'accélérateur occupait tout un bâtiment. Désormais, l'ensemble tient dans une pièce et a fonctionné sans défaillance pendant 72 heures.

Un faisceau laser ordinaire va tout droit, comme la lumière d'une lampe de poche. Mais on peut enrouler la lumière en spirale — comme le filet d'un tire-bouchon. Un tel faisceau porte un moment angulaire orbital : il ne se contente pas d'éclairer, il fait tourner tout ce qu'il rencontre.

Le pulsar PSR J1740+1000 est une étoile de la taille d'une ville qui tourne plus vite qu'un mixeur de cuisine. Après l'explosion d'une supernova, il en reste un noyau dense qui accélère des particules à des vitesses proches de celle de la lumière.

Pour scruter plus profondément la structure du monde, les physiciens accélèrent des électrons et les font entrer en collision. Un électron ordinaire ressemble à une toupie qui tourne dans tous les sens. Pour des expériences fines, il faut des particules dont toutes les toupies pointent dans la même direction – c'est ce qu'on appelle la polarisation.

Au centre d'une galaxie lointaine, où tourne un trou noir supermassif d'une masse de cent millions de soleils, l'espace est parcouru de champs magnétiques.

Au cœur d'une étoile à neutrons, la matière est si comprimée que les protons et les neutrons familiers laissent place à de nouveaux acteurs. Là naissent les hypérons, des particules qui abritent un quark étrange.

Dans la constellation de l'Aigle, à environ 40 000 années-lumière de nous, fonctionne l'un des accélérateurs naturels les plus puissants de la Galaxie. Il s'agit du microquasar GRS 1915+105, une paire composée d'une étoile ordinaire et d'un trou noir.

Un laser d'usine, qui sur les chaînes de production découpe et soude le métal, a été utilisé pour la première fois comme accélérateur de particules.

Le cosmos est peuplé de sprinters invisibles — des particules filant à une vitesse proche de celle de la lumière. On les capture dans le vent solaire, près des étoiles à neutrons et même dans le vide intergalactique entre les galaxies. Mais qu'est-ce qui les propulse là où il n'y a ni ondes de choc, ni reconnexions magnétiques ?

Par une chaude après-midi, une chaleur étouffante pèse sur la ville, et pas un nuage à l'horizon. D'habitude, par un temps pareil, on ne peut qu'attendre que la nature se montre clémente et apporte un peu de fraîcheur. Et si l'on pouvait programmer l'ombre et la pluie comme on allume la lumière dans une pièce ?

Une pierre tombe dans un étang, et des cercles se propagent à la surface de l'eau. Ainsi, la lumière des galaxies lointaines se diffuse dans toutes les directions — calmement et régulièrement. Mais au centre de certaines galaxies se cache non pas une pierre, mais un véritable canon : il projette des particules avec une force monstrueuse. Les astronomes appellent ces objets HSP BL Lac.

Le modèle standard est un ensemble de règles décrivant toutes les particules connues. Mais il reste muet sur la matière noire, qui constitue un quart de l'Univers. Pour la trouver, pas besoin de construire des collisionneurs de la taille d'une ville.

Un ballon se gonfle tout seul, alors que personne ne souffle dedans. C'est à peu près ce à quoi ressemble l'expansion accélérée de l'Univers – et pour l'expliquer, on invoque généralement l'énergie noire, une force invisible et incompréhensible. Mais et si le ballon se gonflait parce que de nouvelles molécules d'air apparaissent continuellement à l'intérieur ?

Près des trous noirs et des étoiles à neutrons, le plasma bouillonne comme l'eau dans une bouilloire. Mais dans cette « bouilloire », il n'y a pas de parois — seulement des champs magnétiques qui se tordent et se déchirent.

Une autoroute circulaire autour du Soleil, où ne circulent pas des voitures mais des paquets de matière. Le diamètre de cette route se mesure en années-lumière : elle ceinture notre système planétaire à sa frontière extérieure, dans le nuage d'Oort, là où l'attraction de l'étoile se fait encore sentir.

L'ordinateur quantique maintient les atomes dans des pièges de lumière, comme des billes dans des alvéoles. Pour lire la réponse, il faut photographier chaque atome et déterminer s'il brille ou non. Auparavant, l'analyse d'une telle image prenait tellement de temps que l'ordinateur restait inactif.

Un flash laser d'une durée de 50 femtosecondes, c'est comme un coup de feu qui durerait un milliardième de seconde. Pendant ce temps, la lumière ne parcourt que 15 micromètres – moins que l'épaisseur d'un cheveu humain.

Au cœur de la constellation de l'Aigle se cache une nébuleuse qui ressemble à une bulle en expansion. Elle est soufflée par une minuscule étoile de la taille d'une ville — un pulsar qui effectue plusieurs rotations par seconde et perd de l'énergie de rotation.

Les sources modernes de rayons X ressemblent à un orchestre sans chef : les électrons du faisceau volent chacun de son côté, et le rayonnement qui en résulte est flou. La nouvelle idée est de faire en sorte que les électrons s'alignent en rangées régulières avec un pas de quelques nanomètres. Ainsi, la lumière qu'ils émettent devient cohérente, comme un faisceau laser.

Le laser frappe la cible — et un nuage de plasma s'élance dans la chambre, propulsé à des centaines de kilomètres par seconde. Autour, ce n'est pas le vide : la chambre est remplie d'un gaz raréfié qui joue le rôle du milieu interstellaire. Le plasma s'y enfonce comme un hors-bord dans une eau calme, repoussant le gaz devant lui.

Une particule piégée dans une cage de lumière se comporte comme une bille au bout d'un ressort : poussez-la, elle oscille. Si l'on comprime brusquement le ressort, la bille se fige un instant au point le plus bas, là où sa position est connue avec le plus de précision.

Dans les accélérateurs géants, les particules filent à une vitesse proche de celle de la lumière et se percutent de front. Mais parfois, un faisceau est un peu plus dense que l'autre — comme si, dans un escalator bondé, quelqu'un se tenait du mauvais côté. Alors les collisions se font de manière irrégulière, et les instruments se mettent à « clignoter », faussant les mesures.

Dans un accélérateur circulaire, les particules tournent en rond, comme des voitures sur un rond-point. Habituellement, lors de l'injection de nouvelles particules, elles occupent des positions aléatoires sur ce rond-point — le faisceau devient « lâche ».

En 1929, Edwin Hubble a découvert que les galaxies s'éloignent – l'Univers est en expansion, comme une pâte qui lève. Aujourd'hui, nous savons qu'il s'étend de plus en plus vite, et l'on attribue généralement cette accélération à l'énergie noire.

L'Univers est rempli d'une masse invisible — la matière noire. Une des hypothèses : ce serait de minuscules trous noirs, nés au moment du Big Bang. Avec une masse d'astéroïde et une taille plus petite qu'un atome, ils traversent les planètes sans laisser de trace.