énigme du spin du proton

Le proton n'est pas une boule pleine, mais une minuscule prison. À l'intérieur, trois quarks sont enfermés, et le champ de gluons les empêche de s'échapper – une sorte de fils invisibles qui ne font que se renforcer lorsque les quarks tentent de s'éloigner.

Un champ magnétique de 42 teslas, environ un million de fois plus intense que celui de la Terre. Dans un tel champ, le cristal SrCu₂(BO₃)₂ se comporte de manière inhabituelle : son aimantation n'augmente pas progressivement mais par sauts, se figeant à certaines valeurs.

Au cœur de l'ordinateur quantique du futur pourrait se trouver une minuscule molécule organique en forme de triangle. Elle possède deux électrons « en trop » qui ne trouvent pas de partenaire. Ces molécules sont appelées diradicaux, et leurs électrons sont capables de stocker l'information d'une manière particulière, quantique.

Un orchestre où chaque musicien joue sa partition sans écouter les autres. Soudain, sans ordre visible, les voisins de pupitre commencent à se synchroniser parfaitement, mais la mélodie commune n'existe pas encore.

Chaque particule quantique possède un spin — une propriété magnétique intrinsèque, comme une minuscule aiguille. Dans une expérience, un faisceau de telles particules traversant un aimant se sépare en deux parties — comme une pièce qui retombe sur pile ou face.

Une toupie de la taille d'une ville, qui pèse plus que le Soleil et effectue des centaines de tours par seconde. Voilà une étoile à neutrons — le vestige d'un astre explosé. Parfois, sa rotation s'accélère soudainement, comme si quelque chose s'était déclenché à l'intérieur.

Une goutte de crème grasse dans un verre de lait. Si vous agitez, la graisse ne se répartit pas uniformément : elle forme des amas plus denses qui se déplacent différemment du reste du liquide. C'est à peu près ce que font les quarks à l'intérieur des mésons, ces particules minuscules qui ne vivent que des fractions de seconde.

Un graviton isolé – le quantum de l'espace-temps – est incroyablement faible. Pour des détecteurs comme LIGO, conçus par Rainer Weiss et ses collègues, les effets quantiques sont supprimés d'un facteur 10⁻³⁸ : c'est comme essayer d'entendre un grain de sable tombant…

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien est un spin d'électron, son minuscule moment magnétique. Pour que l'orchestre joue en harmonie, le chef doit entendre chaque musicien séparément.

Selon le modèle standard, le vide n'est pas un néant, mais un océan de particules virtuelles fantomatiques. Un champ électromagnétique surpuissant, telle une tempête, arrache des paires d'électrons et de positrons à la réalité.

Pour connaître la taille réelle du proton, les physiciens ont remplacé l'électron de l'atome d'hydrogène par sa copie lourde, le muon. Tel une loupe à fort grossissement, le muon s'approche au plus près du noyau et « tâte » le proton avec une précision inégalée.

La collision de particules à très grande vitesse produit une pluie de nouvelles particules. Parmi elles, les antiprotons, jumeaux des protons ordinaires, mais avec une charge opposée. Chaque particule possède une rotation propre, comme une balle de tennis envoyée avec un effet. Mais personne n'a encore vérifié si les antiprotons naissent avec une rotation.

Deux particules qui s'éloignent dans des directions opposées se comportent comme un tout : la mesure de l'une détermine instantanément l'état de l'autre. Cette intrication quantique est connue depuis longtemps pour les particules légères, mais c'est la première fois qu'on l'observe chez les bosons Z, les lourds porteurs de l'interaction faible.

Le proton n'est pas une boule solide, mais un nuage bouillonnant de quarks et de gluons. Chaque particule porte son petit morceau de rotation, mais si l'on additionne tous les morceaux, on n'obtient pas tout le spin du proton.

Un cristal de la taille d'une moitié de boîte d'allumettes a été cultivé dans un four, où une zone fondue rampait lentement le long d'une tige, laissant derrière elle des couches parfaitement ordonnées.

Un faisceau d'électrons, torsadé comme un tire-bouchon, percute un proton. Du point d'impact jaillissent des paires de particules — un pion positif et un pion neutre. Les physiciens ont mesuré pour la première fois la fréquence à laquelle ces paires se séparent sous différents angles lorsque le spin de l'électron est orienté vers la gauche ou vers la droite.

Le pulsar de la nébuleuse du Crabe clignote comme un phare : toutes les 33 millisecondes, il émet une impulsion radio, et ce, avec la précision d'une horloge atomique.

On lance deux toupies en même temps, dans des directions opposées. Si l'une tourne vers la gauche, l'autre tourne toujours vers la droite, quelle que soit la distance qui les sépare. C'est à peu près ainsi que fonctionne l'intrication quantique, sauf qu'au lieu de toupies, on a des quarks top, les particules les plus lourdes connues.

Trois corps qui s'attirent selon la loi de la gravitation universelle : voilà un problème qui déroute les mathématiciens depuis trois siècles. Depuis Poincaré, on sait qu'il n'existe pas de solution générale et que les trajectoires sont chaotiques. Mais dans ce chaos, il y a des îlots d'ordre : les orbites périodiques, où le mouvement se répète.