collision de protons

Trois boules de billard frappées se dispersent sur la table — leurs trajectoires ne dépendent que de l'impulsion initiale. Mais dans le monde des noyaux atomiques, c'est plus complexe : les particules se ressentent mutuellement en mouvement, même si elles ne sont pas liées en un tout.

La matière noire est l'armature invisible de l'Univers. Elle existe, c'est évident d'après le mouvement des étoiles et des galaxies, mais de quoi est faite cette armature, on l'ignore encore. Une hypothèse : des particules ultralégères, semblables aux axions.

Dans la lointaine galaxie du Cigare, il existe un phare singulier. Il n'émet pas de lumière au sens habituel – ses rayons naissent dans un nuage surchauffé autour d'un trou noir qui dévore la matière d'une étoile voisine. De tels objets sont appelés sources de rayons X ultralumineuses. Leur éclat en rayons X est si intense qu'il éclipse des galaxies entières.

Dans l'anneau de 21 kilomètres de Protvino, près de Moscou, on projetait autrefois d'accélérer des protons. Aujourd'hui, le même tube pourrait accueillir une machine bien différente : un collisionneur de muons. Le muon est un cousin lourd de l'électron, et c'est là sa force.

Glace, eau, vapeur — des transitions de phase que tout le monde connaît. Mais que se passe-t-il si l'on comprime et chauffe le noyau de l'atome lui-même ? Les théoriciens pensent que les protons et les neutrons qu'il contient « fondent », libérant des briques plus petites — les quarks et les gluons.

Au cœur du détecteur du Grand collisionneur de hadrons, des protons entrent en collision et, pendant un bref instant, quelque chose de lourd naît.

Le feu d'artifice éclate, et un point se disperse en quatre étincelles. C'est un peu ce que fait le boson Z — la particule qui porte l'interaction faible — lorsqu'il se désintègre en quatre leptons chargés (électrons ou muons). Le processus est extrêmement rare : sur un million de naissances de bosons Z, on n'observe qu'environ cinq événements de ce type.

Un claquement de mains comprime l'air qui s'échappe sur les côtés – c'est le choc le plus simple. Dans l'espace, ce sont les étoiles qui explosent qui jouent le rôle des paumes : leurs ondes de choc compriment brusquement le gaz et déclenchent un mélange chaotique – la turbulence.

Une pierre tombe dans un étang — des ronds se propagent à la surface de l'eau. Si la pierre ne tombe pas mais frôle la surface à très grande vitesse, son passage crée une onde droite qui court sur l'eau. Lorsque cette onde heurte une bûche flottante, des ronds se forment à nouveau à partir du point d'impact. C'est à peu près ainsi que fonctionne la gravité dans ce nouveau travail.

Une casserole de soupe bouillante frémit, et on aimerait savoir à quel point chaque goutte est chaude à l'intérieur. Mais on ne peut plonger le thermomètre que sur le bord, là où ça bouillonne déjà moins.

Au Grand collisionneur de hadrons, les protons entrent en collision des milliards de fois par seconde, et une seule fois sur un trillion de collisions, une paire de bosons de Higgs modèle standard (les particules responsables de la masse de tout ce qui existe) est produite.

Deux noyaux d'étain entrent en collision à environ les deux tiers de la vitesse de la lumière. Pendant un instant, un nuage chaud et dense se forme, d'où des protons s'échappent dans toutes les directions. Si l'on capture des paires de protons et que l'on mesure à quelle fréquence ils partent dans la même direction, on peut calculer la taille de ce nuage.

La fusion d'un proton avec du bore-11 promet une énergie sans neutrons nocifs – seulement des particules chargées, facilement convertibles en électricité.

Dans le détecteur CMS du Grand collisionneur de hadrons, des protons accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière sont entrés en collision.

Dans une galaxie lointaine, à une distance que la lumière met 11 milliards d'années à parcourir, quelque chose a brillé. Le télescope à rayons X Einstein Probe a détecté un sursaut bref, comme une piqûre d'aiguille — il n'a duré que quelques dizaines de secondes.

Dans l'immense accélérateur, des particules se percutent, et parfois, après l'impact, il ne reste que deux photons – les particules de lumière. Les physiciens savent prédire la fréquence de ce phénomène, mais leurs calculs ne concordaient pas avec ce que voyaient les détecteurs.

Lorsque deux particules volent presque à la même vitesse dans la même direction, leurs signaux dans le détecteur se confondent, comme deux voix à l'unisson. Distinguer le duo du soliste est un art en soi.

Entre 2016 et 2018, au Grand collisionneur de hadrons du CERN, des protons entraient en collision avec une énergie de 13 téraélectronvolts — comme si deux petits pois étaient accélérés à des vitesses telles que leur impact engendre tout un essaim de nouvelles particules.

Au Grand collisionneur de hadrons, des protons entrent en collision et des dizaines de particules naissent de l'éclair. Parmi elles peuvent se trouver les traces de processus rares – par exemple, la désintégration du boson de Higgs en deux bosons W.

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.

Les rayons cosmiques sont des particules qui nous parviennent des confins de l'espace. Lorsqu'une telle particule percute l'atmosphère, elle engendre toute une pluie de nouvelles particules — comme une boule de billard qui brise le triangle et fait partir les boules dans toutes les directions.

Une balance avec des poids identiques, mais un plateau qui penche toujours. Dans le monde des particules élémentaires, ce déséquilibre s'appelle la violation de la symétrie CP : les particules et leurs jumeaux miroirs (les antiparticules) se comportent très légèrement différemment.

La lumière réfléchie par le disque incandescent autour d'un trou noir peut en révéler plus que ce que l'on pensait. Lorsque le disque émet de la chaleur, une partie de cette lumière est réfléchie vers le disque et diffusée, acquérant une distribution d'énergie inhabituelle — comme si un nouveau composant, semblable à une loi de puissance, s'ajoutait à la lueur ordinaire.

Des protons accélérés à des énergies énormes percutent une épaisse plaque de métal — comme des balles contre une armure. À l'intérieur du métal naît brièvement une particule J/ψ, qui se désintègre aussitôt en deux muons — de légers cousins de l'électron. Ces muons s'échappent de la cible et les détecteurs capturent leurs traces.

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.

Immédiatement après le Big Bang, l'univers ressemblait à une soupe bouillonnante : des paires de particules et d'antiparticules émergeaient du vide puis s'y engloutissaient. Mais l'expansion brutale — l'époque décrite par Alan Guth et Andrei Linde — a mis un couvercle sur cette marmite.

Dans une cuisine, deux faisceaux de lampes de poche se traversent sans se remarquer. La lumière n'interagit presque pas avec la lumière. Mais si l'on accélère des particules à des énergies énormes, deux photons peuvent entrer en collision et donner naissance à quelque chose de nouveau.

Au Grand collisionneur de hadrons, les protons entrent en collision à une vitesse proche de celle de la lumière. Parfois, ils ne se brisent pas, mais échangent des photons, des particules de lumière.

Lorsqu'un boson W (la particule médiatrice de l'interaction faible) se désintègre en un quark et un antiquark, à la vitesse vertigineuse du collisionneur, ces deux fragments volent presque dans la même direction.

Un détecteur de matière noire ressemble à un microphone très sensible qui écoute le silence. Il capte de minuscules secousses thermiques – les phonons – qui se produisent lorsqu'une particule frôle le cristal.

Lorsque deux noyaux de plomb entrent en collision à une vitesse énorme, un nuage de matière incandescente naît un instant — plus dense et plus chaud que le centre du Soleil. À travers ce nuage filent des jets de particules : des faisceaux étroits comme des rayons laser, arrachés par l'impact.

Dans un anneau souterrain de 27 kilomètres de circonférence, des protons sont accélérés jusqu'à une vitesse proche de celle de la lumière puis projetés frontalement les uns contre les autres. Au point d'impact, des conditions comparables à celles qui régnaient dans le premier billionième de seconde après la naissance de l'Univers sont créées pendant un instant.

En 2017, au Grand collisionneur de hadrons, des protons sont entrés en collision à une énergie de 5,02 TeV.

Dans l'air turbulent, les gouttes ne volent pas en ligne droite — elles sont ballottées dans tous les sens, comme des poussières dans un rayon de lumière. Les physiciens ont construit une installation qui suit chaque goutte de la taille d'un dixième de l'épaisseur d'un cheveu. Une caméra filme leur mouvement, et un ordinateur reconstitue les trajectoires.

Chaque fois que du deutérium et du tritium fusionnent dans un réacteur à fusion, un neutron rapide est émis. Il peut transformer certaines substances en d'autres, par exemple créer des isotopes précieux pour la médecine. Aujourd'hui, ces neutrons coûtent une fortune, car il existe peu d'installations expérimentales et elles fonctionnent rarement.

Lors des collisions de noyaux lourds, une boule de feu de milliers de particules est créée. Parmi elles, on trouve des pions et des kaons, deux types de particules légères qui se ressemblent beaucoup. Pour comprendre ce qui se passe dans cette boule de feu, les physiciens doivent savoir exactement combien de particules de chaque type ont été émises.

Au Grand collisionneur de hadrons, on fait entrer en collision des protons avec des noyaux de plomb. Au moment de l'impact, des centaines de nouvelles particules naissent, et certaines s'échappent en faisceaux étroits — les gerbes.

Quelque part au-dessus de nos têtes, chaque seconde, un proton accéléré à une énergie des millions de fois supérieure à celle du Grand collisionneur de hadrons percute l'atmosphère. Il frappe une molécule d'air, et une cascade naît – une large pluie atmosphérique de milliers de particules.

Dans les années 2010, les physiciens travaillant au Grand collisionneur de hadrons ont appris à créer en laboratoire une matière que l'on ne rencontre pas dans le monde ordinaire.

Dans le détecteur ATLAS du Grand collisionneur de hadrons, les protons entrent en collision des milliards de fois par seconde. Parmi ce flux, les physiciens ont repêché huit événements où, après l'impact, sont nées simultanément deux particules Z et un photon.