modèle standard

Parmi les débris des collisions de particules naissent parfois des « invités » éphémères : les hypérons. L'un d'eux, Σ0, vit moins d'un dix-milliardième de seconde et se désintègre en plein vol. Le capturer directement est presque impossible, mais on peut en observer les traces : il laisse derrière lui une autre particule, Λ, et une paire électron-positron.

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.

En 1994 et 1995, l'accélérateur LEP a fait entrer en collision des électrons et des positrons, produisant des bosons Z qui se désintégraient immédiatement en gerbes de particules.

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.

Le champ magnétique terrestre n'est pas constant : il tremble sous l'effet du vent solaire, des orages lointains, du métro. Pour remarquer ces tremblements, il faut un instrument qui ne tremble pas lui-même. Des physiciens ont assemblé un tel instrument à partir d'atomes d'ytterbium refroidis presque au zéro absolu.

Le monde quantique est plein de surprises : si l'on échange deux électrons, leur fonction d'onde commune ne change que de signe, et si l'on échange deux photons, il ne se passe rien du tout. Mais il existe des particules qui, lorsqu'elles échangent leurs places, se comportent tout à fait différemment — comme si elles se souvenaient d'avoir été permutées.

Un conteneur maritime, c'est un coffre-fort en acier de la taille d'une pièce, rempli de marchandises. Le sonder aux rayons X est difficile : les parois épaisses et la cargaison dense étouffent les rayons. Les muons viennent à la rescousse — ce sont des particules qui naissent haut dans le ciel et tombent en permanence sur la Terre.

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.

Un flux invisible de particules traverse le corps humain à chaque seconde. Ce sont les neutrinos — de minuscules messagers venus d'étoiles lointaines et de réacteurs terrestres. Les attraper est presque impossible : ils traversent la matière comme une balle traverse le brouillard. Mais les physiciens ont appris à leur tendre des embuscades.

Le champ magnétique dans ce dispositif doit être aussi uniforme qu'une vitre : la moindre ondulation brouillerait le signal. Les ingénieurs ont assemblé deux bobines qui compensent mutuellement leur champ à l'extérieur, et les ont enveloppées dans trois couches de plaques ferromagnétiques.

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.

Le noyau atomique n'est pas toujours rond comme une boule de billard. Certains noyaux s'allongent en forme de ballon de rugby, d'autres deviennent semblables à une poire — avec une extrémité plus épaisse que l'autre.

Le monde quantique est souvent comparé à un instrument de musique. Les bandes électroniques d'un cristal sont comme des cordes, chacune avec sa propre tonalité. En général, si les cordes sont accordées simplement, sans entrelacements compliqués, le son produit par leur mouvement conjoint reste simple.

Une pierre lancée contre un mur rebondit. Dans le monde quantique, une particule peut le traverser de part en part, comme si le mur était tissé de brume. C'est l'effet tunnel quantique : il allume les étoiles, opère dans les puces électroniques et même dans les cellules de notre corps.

Un faisceau laser ressemble à un tourbillon rapide qui capture un instant un électron qui passe. Pendant que la particule traverse l'impulsion, son spin (la rotation propre, comme celle d'une petite toupie) subit une faible poussée.

Des balances ultra-sensibles tentent de déceler la différence entre deux grains de sable presque identiques. L'un est le reflet parfait de l'autre, comme dans un miroir. Dans le monde des particules élémentaires, ce reflet miroir est appelé parité P, et sa violation est l'une des plus grandes énigmes de la physique.

Dans le monde quantique, les particules se divisent en deux camps irréconciliables : les bosons aiment se rassembler dans un même état (comme la lumière dans un laser), tandis que les fermions sont des individualistes qui n'occupent jamais la même place.

La glace ordinaire fond à zéro degré. La matière à densité nucléaire — le plasma de quarks et de gluons — subit quelque chose de similaire à environ 155 MeV (soit environ deux billions de degrés).

Dans le monde quantique, les particules se comportent parfois comme des acrobates sur des cordes invisibles. Le champ d'instanton est un vortex éphémère qui apparaît puis disparaît aussitôt. Lorsqu'un fermion (une particule comme l'électron) pénètre dans un tel vortex, son énergie ne reste pas immobile.

Lorsque deux noyaux atomiques se percutent, une minuscule boule de feu naît. Elle ne vit qu'un instant, mais en son sein se succèdent des époques entières : compression, échauffement, expansion. Les physiciens ont appris à écouter ce processus, et leur « micro » est constitué des paires d'électrons et de positons qui s'échappent de la boule à différents stades.

Pour scruter plus profondément la structure du monde, les physiciens accélèrent des électrons et les font entrer en collision. Un électron ordinaire ressemble à une toupie qui tourne dans tous les sens. Pour des expériences fines, il faut des particules dont toutes les toupies pointent dans la même direction – c'est ce qu'on appelle la polarisation.

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 liquide de spin quantique est un état de la matière dans lequel les moments magnétiques des atomes se comportent comme un liquide : ils oscillent constamment et ne s'ordonnent pas de manière rigide, même à très basse température. L'un des modèles théoriques les plus connus d'un tel liquide a été proposé par Alexeï Kitaev.

Dans certaines théories quantiques, les symétries s'entrelacent d'une manière inhabituelle — comme si un château avait deux clés, mais que tourner l'une décalait légèrement l'autre. Ces symétries couplées sont appelées 2-groupes.

Le cristal uranium-arsenic (UAs2) sous pression se comporte comme une maison à deux pièces. Dans une pièce, les électrons restent sur place ; dans l'autre, ils se déplacent librement. Dans des conditions normales, c'est un classique « Kondo de réseau » : des électrons lourds, presque immobiles, sur les orbitales 5f5/2, sont entourés d'une mer d'électrons de conduction rapides.

Un service postal dont les coursiers s'arrêtent soudainement. On pourrait croire que les lettres ne parviennent plus à destination et que le lien entre les villes est rompu. Mais que se passerait-il si les enveloppes elles-mêmes acquéraient la capacité de changer de forme et de transmettre les messages à travers une toile commune, sans bouger ?

Dans le noyau atomique, les protons et les neutrons sont si densément tassés que des forces comparables à des ressorts tendus agissent entre eux. Certains ressorts se compriment et se détendent de manière identique dans toutes les directions — ce sont les forces centrales habituelles.

La charge électrique est une chose insaisissable. On peut mesurer combien il y en a dans l'Univers entier ou dans une particule isolée, mais essayer de pointer du doigt : « Ici, dans ce centimètre cube, il y a exactement tant de charge » se heurte à un mur fondamental.

En 1998, le mathématicien David Boyd a remarqué une chose étrange. Il étudiait la mesure de Mahler d'un polynôme — une quantité qui mesure la « complexité » de ses racines — et a découvert que pour une famille de courbes, elle s'exprime toujours par un nombre rationnel spécial, multiplié par la valeur de la dérivée de la fonction L.

En physique nucléaire, une énigme demeurait : pourquoi, parmi les éléments plus légers que le bismuth, seuls le technétium (n°43) et le prométhium (n°61) ne possèdent-ils aucun isotope stable ? Tous leurs voisins du tableau périodique peuvent se vanter d'avoir au moins une variante à longue durée de vie, mais ces deux-là semblent échapper à la règle générale.

Une fraction de seconde après le Big Bang, l'Univers était une soupe brûlante de particules et d'antiparticules. Selon toutes les lois, elles auraient dû s'annihiler complètement, ne laissant que le vide. Mais pour une raison inconnue, pour chaque milliard de paires, une particule de matière « supplémentaire » a survécu.

Le modèle standard ΛCDM (qui inclut l’énergie noire et la matière noire froide) est la partition de la symphonie cosmique. Il décrit comment, après le Big Bang, l’espace s’est dilaté. Comment la matière noire s’est agglomérée. Comment les galaxies se sont allumées.

Une transition de phase, c'est comme le moment où l'eau se transforme en glace. Dans le monde quantique, ces transitions se produisent au zéro absolu, et il est presque impossible de les observer directement. Habituellement, on construit pour cela des modèles informatiques extrêmement complexes, qui exigent d'énormes ressources.

Une chaîne quantique ressemble à une guirlande lumineuse où les ampoules sont les spins des particules. Idéalement, toutes les ampoules clignotent en synchronie, suivant un rythme commun — c'est la symétrie. Mais si l'on coupe un morceau de la guirlande, le rythme peut se dérégler : à l'intérieur du segment, la symétrie est brisée.

Une étoile massive épuise son carburant – et son cœur s'effondre en une fraction de seconde. Une supernova naît, accompagnée d'une pluie de neutrinos brève mais intense. Ces particules interagissent à peine avec la matière, elles s'échappent donc librement, emportant l'information sur la catastrophe.

La rivière se divise en deux bras. L'un est large et rapide, l'eau y coule en douceur, mais avec l'augmentation de la température, le courant ralentit : des tourbillons et des vagues apparaissent. Le second bras est étroit, avec des rapides, où l'eau saute de pierre en pierre. Ce flux, au contraire, devient plus vif avec la chaleur.

Une corde bien tendue continue de vibrer après avoir été pincée. En physique des particules, il existe un objet similaire : l'oscillon. C'est un amas d'énergie qui pulse comme un cœur sans se disperser dans l'espace. Ces structures apparaissent dans le champ de Higgs — ce même champ qui donne leur masse aux particules.

Le monde quantique est retors : parfois, des particules confinées dans une couche plane et traversées par un puissant champ magnétique se comportent comme un liquide composé non pas d'électrons entiers, mais de leurs fractions — des charges fractionnaires. C'est l'effet Hall quantique fractionnaire.

Une rangée de soldats, au commandement, tourne d'un même côté. Dans les matériaux magnétiques, les soldats sont les spins des atomes — de minuscules aiguilles magnétiques.

Les calculs quantiques rappellent souvent l'assemblage d'un mécanisme complexe : le physicien sait que la pièce va s'emboîter, mais il ne peut pas toujours expliquer pourquoi. L'une des astuces favorites consiste à insérer au milieu de la formule une « unité », mais pas une unité ordinaire : une unité composée d'un ensemble infini de tous les états possibles du système.