recherche d'événements rares

Dans la glace antarctique se cache un détecteur de la taille d'un kilomètre cube. Il ne capte pas la lumière, mais des particules fantômes : les neutrinos. Pourtant, il pourrait parfois y apparaître une tout autre bête : une paire de muons nés ensemble et s'éparpillant en un large éventail.

Les neutrinos solaires sont de minuscules particules nées dans les entrailles du Soleil par milliards de milliards chaque seconde. Ils traversent la Terre sans presque la remarquer et ont longtemps été considérés comme absolument stables. Mais peut-être peuvent-ils eux aussi « vieillir » — se désintégrer discrètement, disparaissant en chemin vers nous.

Dans la galaxie NGC 1052 DF2, les étoiles se déplacent à seulement 8 kilomètres par seconde — comme si aucune masse invisible n'était présente. Pour comparaison, dans notre Voie lactée, les étoiles périphériques atteignent 200 kilomètres par seconde, retenues par un halo massif de matière noire.

À neuf heures du matin, le détecteur DarkSide-50, à 1400 mètres sous le mont Gran Sasso, enregistre une faible impulsion d'ionisation. Vers onze heures du soir, la fréquence de tels événements diminue nettement.

La matière noire — l'architecte invisible de l'Univers, qui empêche les galaxies de se disperser. Grâce à Fritz Zwicky et Vera Rubin, nous savons que la matière ordinaire dans le cosmos n'est qu'une infime impureté. Mais que se cache-t-il derrière cette matière noire ?

Une vieille photographie, prise au moment de la naissance de l'Univers, nous transmet sa lumière depuis près de 14 milliards d'années. Ce cliché, c'est le fond diffus cosmologique, l'écho refroidi du Big Bang. On y voit les infimes irrégularités à partir desquelles les galaxies ont ensuite grandi.

Extraire une seule puce défectueuse parmi un million, sans aucun indice sur la nature du défaut, est un problème classique de chercher une aiguille dans une botte de foin. Un ordinateur classique testerait chaque puce une par une.

La matière noire est invisible, mais sa gravité régit le mouvement des galaxies. De quoi est-elle composée ? C'est une énigme. Une idée : ce sont des particules ultra-légères, semblables aux axions.

Les détecteurs de matière noire classiques ressemblent à un gardien de but qui attend un tir puissant alors que le ballon roule à peine. Les particules invisibles qui remplissent notre Galaxie se déplacent souvent trop lentement pour être repérées par les capteurs sensibles.

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.

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, 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.

Dans une mine sombre sous les Alpes italiennes, une cuve contient trois tonnes de xénon liquide. Lorsqu'une particule y pénètre, elle arrache aux atomes de faibles flashs de lumière et des nuages d'électrons.

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.

Dans le froid profond, à une température de seulement deux degrés au-dessus du zéro absolu, une cavité en cuivre de la taille d'une casserole écoute le silence de l'Univers.

Un détecteur de matière noire, c'est comme une pièce où l'on essaie d'entendre un chuchotement alors qu'à côté, un poste de radio crache des parasites. Ces parasites sont créés par les atomes de radon, un gaz radioactif qui s'infiltre depuis les matériaux et l'air.

Le détecteur MicroBooNE est une grande cuve d'argon liquide qui capture les particules qui le traversent. Lorsqu'une particule passe, elle laisse une traînée de charge et un éclair de lumière. Ces traces se combinent en une image tridimensionnelle de l'événement, comme si la particule dessinait son chemin dans un cube transparent.

Une balle qui ne perce pas une seule cible, mais laisse des traces dans plusieurs couches de blindage. C'est à peu près ainsi que se comporte la matière noire super-lourde, recherchée pour la première fois dans le détecteur DarkSide-50.

La matière noire est comme une colle invisible qui maintient les galaxies ensemble. Elle n'émet pas de lumière, mais si ses particules entrent en collision, un éclair de rayonnement gamma peut se produire.

Dans l'océan, il arrive qu'une vague solitaire géante surgisse de nulle part et disparaisse. Ces vagues scélérates sont rares mais dangereuses. Des sursauts rares et intenses similaires existent dans d'autres systèmes, des marchés financiers aux lasers. Le problème est qu'ils sont difficiles à prédire et encore plus à provoquer sur commande.

Du plomb antique, resté deux mille ans au fond de la mer, est devenu le cœur d'un détecteur qui traque la substance la plus insaisissable de l'Univers. On en a fait croître un cristal transparent de tungstate de plomb de 13 grammes, refroidi presque au zéro absolu.

Depuis que Vera Rubin a démontré de manière convaincante que les galaxies sont entourées d'une substance invisible, la quête de la nature de la matière noire reste l'un des défis majeurs de la physique.

Les détecteurs d'ondes gravitationnelles comparent généralement le signal à des modèles préétablis, comme on cherche une mélodie familière dans le bruit. Cela permet de ne repérer que les scénarios connus, par exemple les fusions de trous noirs.

La matière noire est la colle invisible qui empêche les galaxies de se désagréger. Dès les années 1930, Fritz Zwicky l'a soupçonnée, et Vera Rubin a prouvé dans les années 1970 que sans elle, les étoiles s'éparpilleraient.

Le laser à rayons X LCLS-II, en Californie, émet de brèves impulsions puissantes, comme un stroboscope en boîte de nuit. Entre les impulsions, il reste des pauses sombres d'une durée de 26,9 nanosecondes (milliards de seconde).

Dans le détecteur BESIII, les particules jouent une pièce de théâtre : elles entrent en collision, naissent et se désintègrent, laissant des éclairs de lumière. Mais parfois, un acteur peut quitter la scène discrètement — par une porte dérobée que les caméras ne voient pas.

Détecter un signal faible au milieu du bruit, c'est comme essayer d'entendre une cloche lointaine pendant une tempête. L'amplification habituelle ne fait que rendre le vacarme plus assourdissant. La correction d'erreurs quantique résout le problème de manière inattendue.

En 1997, l'océan Pacifique s'est tellement réchauffé que les coraux ont blanchi de l'Indonésie aux Galápagos, et des inondations et des sécheresses ont frappé cinq continents.

Il y a cent ans, les observatoires magnétiques n'enregistraient que les lentes respirations du noyau terrestre. Aujourd'hui, leurs données deviennent un terrain de chasse pour la physique des particules.

Une sphère de silicium de 166 nanomètres de diamètre flotte dans un faisceau laser infrarouge. La pression est inférieure à 10⁻⁸ mbar, et la température de mouvement est d'environ 10 millikelvins. C'est plus froid que le rayonnement fossile.