quark

Lorsqu'on brise un proton dans un accélérateur, des quarks et des gluons en sortent. Mais on ne peut pas les voir libres : presque immédiatement, ils se collent les uns aux autres pour former de nouvelles particules, comme des gouttes de mercure qui se rassemblent en billes.

Les quarks, briques élémentaires des protons et des neutrons, s'assemblent généralement par paires ou par triplets. Mais parfois, ils forment des combinaisons plus grandes et instables qui ne vivent que des fractions infinitésimales de seconde.

Quand un noyau atomique lourd se scinde en deux fragments, il reste entre eux un fil quantique invisible. Ce fil, c'est l'intrication : l'état d'un fragment est instantanément lié à celui de l'autre, comme s'ils ne formaient encore qu'un seul tout.

À l'accélérateur du laboratoire Jefferson, un faisceau de lumière frappe des protons, et des particules éphémères naissent de ces collisions : les mésons oméga. Ils vivent moins d'un milliardième de seconde, mais ils ont le temps de nous renseigner sur les forces qui règnent à l'intérieur du noyau atomique.

Dans les tout premiers instants après le Big Bang, la matière et l'antimatière étaient présentes en proportions presque égales. Mais quelque chose a rompu l'équilibre, et il n'est finalement resté qu'un infime excès de particules ordinaires — celui-là même qui constitue les étoiles, les planètes et nous-mêmes.

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.

Le proton n'est pas une boule monolithique. C'est un nuage bouillonnant de quarks et de gluons qui naissent et disparaissent sans cesse. Pour décrire une telle image, on utilise les fonctions de distribution de partons : elles indiquent la probabilité de rencontrer un quark ou un gluon d'une certaine énergie à l'intérieur du proton.

Une poignée de sable dans le poing : les grains se bloquent les uns contre les autres, et la main ne peut pas se refermer davantage. La matière ordinaire se comporte de la même façon.

Les étoiles à neutrons sont des cornues alchimiques cosmiques : à des densités supranucléaires, les hadrons fondent en plasma de quarks et de gluons (PQG), et au cœur même, là où la pression atteint son maximum, naît un supraconducteur de couleur (SC).

Dans le microcosme de l'interaction forte — la colle la plus puissante de la nature — les quarks ne se promènent jamais seuls. À grande distance, ils s'agglutinent en protons et en neutrons que nous connaissons bien. Mais sous une compression extrême, comme au cœur d'une étoile à neutrons, cette colle crée des formes de matière bien plus étranges.

Dans les accélérateurs, en faisant entrer en collision des noyaux lourds, les physiciens créent brièvement un plasma de quarks et de gluons — un état de la matière où les quarks et les gluons ne sont pas confinés dans des particules, mais libres.

Les neutrinos sont de véritables fantômes du monde microscopique. Presque sans masse, sans charge, ils traversent les planètes comme si elles étaient vides. Mais à l'intérieur de chaque neutrino se cache non pas une particule, mais trois — trois « saveurs » (électronique, muonique et tau) qui se transforment constamment les unes dans les autres.

Dans les profondeurs d'une étoile à neutrons massive, où une cuillère à café de matière pèse comme une montagne, les quarks sont compressés à une proximité inimaginable.

À l'intérieur d'une étoile à neutrons, la matière est comprimée au point que les noyaux atomiques cessent d'être des amas distincts. Les neutrons et les protons se rapprochent, et leurs entrailles — les quarks — commencent à sentir leurs voisins à travers les parois de leurs « sacs ».

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.

La fin de l'Univers n'est pas qu'une simple obscurité. Si l'énergie noire le déchire en lambeaux ou s'il s'effondre à nouveau en un point semblable à un Big Bang inversé, une singularité survient — un moment où la physique conventionnelle rend l'âme. On a longtemps cru que tout disparaissait dans cet incendie cosmique.

Dans la famille des résidus ultra-denses d'étoiles mortes, un vide a longtemps béé. Les étoiles à neutrons — des toupies fulgurantes de la taille d'une ville — dépassent rarement deux masses solaires. Les trous noirs commencent aux alentours de cinq masses solaires. Entre les deux, un « gouffre » où l'on n'a trouvé aucun objet pendant des décennies.

Dans le cristal de nitrure de bore, le réseau atomique parfait est parfois perturbé : ici un atome manque, là il est remplacé par un atome étranger.

Si l'on comprime une poignée de sable jusqu'à la taille d'une tête d'épingle, elle se transforme en pierre. Mais si l'on comprime encore plus fort — jusqu'à la densité du noyau atomique —, les grains de sable perdent leur forme. Les protons et les neutrons se dissolvent, et la matière devient une sorte de soupe de quarks libres.

Un aimant avec un seul pôle — nord, mais sans sud. Coupez-le en deux : au lieu de deux aimants ordinaires, vous obtenez deux aimants monopôles identiques. Dans notre monde, de telles particules n'ont pas encore été trouvées, bien que de nombreuses théories prédisent leur existence. Ces objets hypothétiques sont appelés monopôles magnétiques.

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.

À première vue, le noyau atomique est un appartement communautaire exigu où protons et neutrons (ensemble, on les appelle nucléons) vivent selon des règles strictes. Chacun occupe son orbite, comme les électrons dans l'atome, et en moyenne tout semble ordonné.

Le cœur d'une étoile à neutrons peut être comparé à une corde tendue à densité supra-nucléaire. Le son qui y court est une oscillation de pression dont la vitesse $$c_s$$ révèle la rigidité de la matière. La nouvelle étude montre que cette corde cosmique ne bourdonne pas de manière monotone.

La matière ordinaire est composée d'atomes, et les atomes sont composés de noyaux et d'électrons. Mais dans une étoile à neutrons, la gravité comprime la matière si fort que les électrons sont enfoncés dans les protons, et presque tout se transforme en un empilement dense de neutrons.

Trois jumeaux en pleine course échangent sans cesse leurs vêtements. C'est à peu près ce que font les neutrinos, ces particules presque insaisissables qui nous traversent par milliards chaque seconde. Ils naissent dans des réactions nucléaires, par exemple au cœur du Soleil, et existent sous trois variétés, ou « saveurs ».

L'acier n'est pas un monolithe, mais une mosaïque de grains microscopiques soudés les uns aux autres. Leurs jonctions — les joints de grains — sont le point le plus vulnérable : c'est là que les fissures commencent.

Le noyau atomique n'est pas une boule de billard, mais plutôt un nuage brumeux qui ne cesse de changer de forme. Les protons et les neutrons à l'intérieur sont en mouvement perpétuel, et le noyau peut adopter toutes sortes de formes : allongé, aplati ou en forme de poire.

Le noyau atomique n'est pas une boule monolithique, mais un essaim dense de particules minuscules, les quarks, collés par une colle spéciale (l'interaction forte).

Si vous serrez une poignée de sable dans votre poing, il se compacte d'abord, puis commence à résister – les grains n'ont plus de place où aller. Dans les profondeurs d'une étoile à neutrons, il se passe quelque chose de similaire, mais au lieu de grains de sable, ce sont des particules élémentaires, et au lieu d'une main, c'est une gravité monstrueuse.

Si vous essayez de briser un proton et d'en extraire un quark, vous aurez une surprise. Les forces ordinaires, comme la force électrique, faiblissent lorsque les particules s'éloignent. Ici, c'est le contraire. Plus un quark est loin de ses voisins, plus il est rappelé.

Chaque automne, un rouge-gorge pesant à peine une noix quitte sa branche quelque part près de Saint-Pétersbourg et s'envole vers le sud, vers la Méditerranée, sans jamais consulter de carte. On pense que son œil abrite une boussole magnétique intégrée, et la pièce maîtresse de ce dispositif est la protéine cryptochrome 4a.

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.

Deux flux de voitures se percutent à un carrefour. Dans les premiers instants qui suivent le choc, les débris ne s'éparpillent pas au hasard, mais comme s'ils étaient brièvement enveloppés dans un nuage commun. C'est à peu près ce que les physiciens ont observé au Grand collisionneur de hadrons lorsque des protons se sont percutés à une vitesse énorme.

Les gouttes d'huile dans un bouillon bouillant ont tendance à se disperser, mais si on les fait entrer en collision très lentement, elles peuvent s'agglutiner un instant. Quelque chose de similaire se produit avec les quarks top, les briques de matière les plus lourdes connues.

Les quarks sont de minuscules briques qui composent les protons et les neutrons. D'habitude, ils vont par paires : une particule et son double miroir, l'antiparticule. Mais parfois, les quarks forment des combinaisons plus étranges, que les physiciens appellent exotiques.

Le proton semble être une petite boule compacte, mais à l'intérieur, ça bouillonne : les quarks échangent des gluons, les particules qui les collent. Les gluons apparaissent et disparaissent, et leur distribution dans le proton n'est pas qu'un détail curieux : c'est la clé des prédictions au Grand collisionneur de hadrons.

Les particules lourdes que les physiciens appellent baryons ressemblent à de minuscules familles de trois quarks. Les baryons ordinaires sont les protons et les neutrons qui constituent tout ce qui nous entoure. Mais il existe aussi des cousins exotiques : au lieu de quarks légers, ils contiennent des quarks charmés ou beaux — lourds et éphémères.

Si l'on place un kaon dans un champ électrique, il s'étire légèrement, comme un ballon de baudruche frotté sur un pull. Cette réponse — la polarisabilité électrique — indique à quel point la particule est rigide à l'intérieur.

Lors des collisions de noyaux lourds dans les collisionneurs, un plasma de quarks et de gluons est créé — un état de la matière où les quarks et les gluons sont libres, comme l'eau dans la vapeur.

Lors de la collision de noyaux lourds dans les accélérateurs, de nombreuses particules sont produites, et les physiciens veulent comprendre comment la charge électrique se déplace dans ce chaos. Deux trains entrent en collision : les passagers (les quarks) sont éjectés, mais leurs bagages (la charge) peuvent se retrouver loin du lieu de l'accident.