plasma de quarks et de gluons

Un mince film de nitrure de zirconium repose sur un substrat d'oxyde de magnésium. L'épaisseur est de deux dixièmes de micron, comme une toile d'araignée, mais à l'intérieur bouillonne une vie quantique.

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.

En juin 2024, le radiotélescope CHIME a détecté depuis la source FRB 20240114A plus de 700 sursauts radio par heure. Un tel répéteur hyperactif libère en une heure presque toute l'énergie magnétique d'un magnétar ordinaire (une étoile à neutrons au champ extrêmement puissant).

Dans des accélérateurs comme le Grand collisionneur de hadrons, on fait entrer en collision des noyaux lourds à une vitesse prodigieuse.

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.

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.

À l'intérieur du proton, ça bouillonne. Les quarks n'y sont pas simplement assis — ils sont collés par des particules messagères, les gluons (du mot anglais glue — colle). D'habitude, cette colle est étalée uniformément, comme du beurre sur une poêle. Mais quand les énergies deviennent énormes, les gluons commencent à se regrouper en amas.

Lorsqu'une étoile massive épuise son carburant, son cœur s'effondre sous sa propre gravité. À l'intérieur se forme un trou noir — une région où la gravité est si forte que même la lumière ne peut s'en échapper. On a longtemps pensé qu'au centre se cachait un point de densité infinie — la singularité.

Un cristal de cuivre est comprimé dans une enclume de diamant. La pression augmente, et à l'intérieur du matériau se déroule une lutte entre deux états : l'un prépare les électrons à la supraconductivité, l'autre, au contraire, les empêche de s'associer. Les scientifiques ont suivi cette lutte à l'aide d'impulsions laser ultrabrèves.

Après le Big Bang, l'Univers bouillonnait d'une « soupe » de feu composée de particules fondamentales. En s'étendant et en refroidissant, cette soupe s'est progressivement « solidifiée » en protons et neutrons — un peu comme une cristallisation.

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.

Au Grand collisionneur de hadrons, on ne fait pas seulement entrer en collision des protons, mais aussi des noyaux entiers d'atomes.

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 monde microscopique, il y a toujours du bruit. Même dans le vide absolu, quelque chose tremble, et ces fluctuations quantiques gênent les mesures précises. Mais on peut « comprimer » le bruit, comme un ballon de baudruche : si on le serre sur les côtés, un côté devient plus fin, mais l'autre gonfle.

Au centre de la collision de deux noyaux de plomb naît un minuscule boule de feu — de la matière si chaude que les protons et les neutrons fondent, et que les quarks et les gluons flottent librement dans cette « soupe ». Cette soupe est appelée plasma de quarks et de gluons.

La lumière émise par les minuscules cristaux de pérovskite évoque une chorale où les voix se font entendre tantôt en solo, tantôt en duo harmonieux. Jusqu'ici, ce duo ne pouvait être capté qu'à très basse température, presque au froid cosmique. Désormais, la chorale chante à température ambiante.

Le cristal d'oxyde de magnésium ressemble à une rangée de soldats : les atomes sont alignés en rangées régulières, et un électron court le long de celles-ci. Mais dès que l'électron s'attarde, les atomes voisins se déplacent légèrement — comme des voisins de rangée qui tournent la tête. L'électron se retrouve dans un creux formé par les atomes déplacés et ne peut plus se mouvoir librement.

Dix microsecondes après le Big Bang, l'Univers ressemblait à une casserole de bouillon bouillant. Des quarks et des gluons y flottaient — les particules qui, plus tard, s'assembleraient en protons et en neutrons. Le bouillon refroidissait, et à un moment donné, les quarks se sont collés en petits paquets — ces fameux protons et neutrons dont toute la matière visible est constituée.

L'eau dans une bouilloire chauffe jusqu'à cent degrés, puis cesse d'être de l'eau pour devenir de la vapeur. Quelque chose d'analogue se produit avec les noyaux atomiques lorsqu'on les fait entrer en collision à des vitesses énormes dans le Grand collisionneur de hadrons.

Un pulsar, c'est une étoile morte qui tourne à toute allure et envoie des impulsions radio comme un phare. En général, ces impulsions suivent un horaire strict, mais parfois, parmi elles, se glissent de véritables monstres : des impulsions géantes, des milliers de fois plus brillantes que la normale.

La mosaïque de Penrose, composée de deux types de tuiles, pave le plan sans motif répétitif — une merveille mathématique découverte par Roger Penrose a trouvé une incarnation physique dans le monde quantique. Les chercheurs ont modélisé une chaîne de particules interagissant selon une règle qui rappelle les nombres de Fibonacci et le nombre d'or.

Les sursauts gamma sont les explosions les plus puissantes de l'Univers : une étoile mourante s'effondre en un trou noir, libérant des flux d'énergie. Cela arrive souvent après l'explosion d'une supernova.

Des physiciens ont utilisé un simulateur quantique — un dispositif qui imite le comportement de particules chargées — pour étudier leurs collisions à des énergies énormes.