supersymétrie

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.

Une armature invisible maintient les galaxies, les empêchant de se disperser. C'est la matière noire — une substance qui n'émet pas de lumière et n'interagit presque pas avec la matière ordinaire. Les astrophysiciens débattent depuis longtemps de sa composition.

Un interprète sursaute au moindre bruit dans la salle — et une réunion d'une heure s'étire sur deux. Une intonation de travers et le sens change du tout au tout. C'est à peu près ce que vit une particule de spin 3/2 — le gravitino. Elle ne peut pas exister en solitaire : son « discours » doit être parfaitement accordé à son environnement, sinon tout l'édifice s'effondre.

Le vent porte le pollen, et chaque grain semble se déplacer de lui-même. Mais dès que l'air se met à tourbillonner, les trajectoires du pollen ne peuvent plus être séparées — elles sont emmêlées.

Le modèle standard de la physique des particules est un catalogue de toutes les briques connues de l'univers : électrons, quarks et autres. Mais il reste muet sur la matière noire et ne s'entend pas avec la gravité.

Depuis que Saul Perlmutter et ses collègues ont découvert l'expansion accélérée de l'univers, les physiciens se creusent la tête sur la nature de l'énergie noire.

Le géomètre passe son doigt sur une surface invisible — et, à la façon dont les géodésiques se courbent, il en relève l'empreinte. Une telle empreinte peut être la courbure normale maximale κ(F) : la plus grande des courbures de toutes les géodésiques passant par un point de la variété plongée.

L'Univers primordial était un endroit agité. L'espace tremblait sous l'effet des ondes gravitationnelles — des ondulations du tissu même du cosmos. Dans ce chaudron bouillonnant, la matière noire serait née. Mais les particules nouveau-nées n'avaient pas de masse — il fallait bien la faire venir de quelque part.

Le monde quantique est plein de métamorphoses. Parfois, un système composé de certaines particules se comporte comme s'il en contenait d'autres. Par exemple, dans une chaîne de bosons – des particules « sociables » qui aiment se rassembler dans un même état – des fermions peuvent surgir de manière inattendue, alors qu'ils ont tendance à rester à l'écart.

Deux nuages d'atomes ultra-froids, presque figés à une température de quelques nanokelvins, se mélangent dans un piège. L'un est composé d'atomes légers, l'autre d'atomes lourds. Ils se repoussent différemment.

Un bloc de matière noire dérive dans le vide — invisible, presque insaisissable. Personne ne sait de quoi il est fait, mais une nouvelle étude propose de le voir comme une goutte de fluide quantique.

Une pierre jetée dans l'eau laisse des ronds. Un satellite en orbite autour de la Terre laisse aussi une trace — non pas sur l'eau, mais dans les lois de la physique. Son orbite n'est pas une ligne figée : elle pivote lentement, comme l'aiguille d'une horloge géante.

Dans le monde du modèle standard, il y a une vieille énigme : pourquoi les masses de l'électron, du muon et de la particule tau diffèrent-elles autant ? Et pourquoi les quarks — les briques des protons et des neutrons — sont-ils aussi divisés en trois générations avec un saut brutal de masses ?

Dans les tout premiers instants après le Big Bang, la matière et l'antimatière auraient dû naître en quantités égales. Mais aujourd'hui, nous ne voyons que de la matière — les étoiles, les planètes, nous-mêmes. Où est passée l'antimatière ? Une des clés se cache dans des particules presque insaisissables : les neutrinos droits.

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.

Quand une voiture avec le régulateur de vitesse passe sur un ralentisseur, la vitesse fait un bond momentané, mais le moteur tourne régulièrement. C'est un peu ce que les astronomes ont récemment observé avec l'énergie noire, cette force qui accélère l'expansion de l'univers.

Au tout début, quelques instants après le Big Bang, l'Univers était d'une symétrie presque risible : il y avait autant de particules que d'antiparticules. Mais un déséquilibre s'est produit, minuscule comme un grain de sable en trop dans un kilo de sucre, et tout le monde qui nous est familier — étoiles, planètes, êtres humains — est né de cet excès.

Un interprète est distrait par le moindre bruit dans la salle — et une réunion d'une heure s'étire sur deux. C'est à peu près ainsi que fonctionne la mécanique quantique ordinaire : la particule évolue dans le temps, tandis que l'espace sert de scène. Mais que se passerait-il si l'on échangeait leurs rôles ?

Un tourbillon de café peut s'étendre sur deux endroits dans une tasse – un flou de liquide tourbillonnant. Les particules quantiques se comportent de manière similaire : un tourbillon d'espace-temps où elles existent à deux endroits à la fois. Mais la gravité agit comme la cuillère qui remue le tissu de l'espace et du temps.

Après le Big Bang, l'Univers ressemblait à un ballon bien gonflé : la pression empêchait la matière de s'agglutiner. Mais des particules super-lourdes hypothétiques — de véritables « poids lourds » du monde subatomique — rendaient le ballon moins rigide un instant.

Dans une cuisine, il y a un seau d'eau et un seau identique rempli de sable. On verse le sable dans l'eau — et on obtient un mélange où le sable est exactement cinq fois plus abondant que l'eau.

Une poignée de pièces tombe sur la table. Tant qu'elles tournoient, chacune peut retomber sur pile ou sur face — c'est l'incertitude quantique. Mais dès qu'elles s'immobilisent, l'image devient définie, classique. C'est à peu près ainsi que le bruit détruit l'ordre quantique, le transformant en désordre ordinaire.

Dans une casserole d'eau bouillante, des bulles de vapeur naissent et éclatent, mais l'eau reste liquide. Quelque chose de similaire se produit dans un gaz atomique ultra-froid : les atomes forment constamment des paires puis se séparent à nouveau, alors que la superfluidité n'est pas encore atteinte.

Dans les transitions nucléaires du béryllium-8, de l'hélium-4 et du carbone-12, les physiciens de la collaboration ATOMKI observent depuis 2020 des événements en excès — comme si, lors de la désintégration d'un noyau excité, quelque chose d'autre naissait parfois, en plus des photons ordinaires.

La matière noire constitue 85% de la matière de l'Univers, mais reste invisible. Elle ne se manifeste que par la gravité. On peut la détecter par son « son » cosmique – une faible vibration qui imprègne l'espace. Un détecteur isolé est impuissant : le signal est trop faible.

La matière noire, cette charpente invisible du cosmos, a révélé son existence par les tourbillons des galaxies à Fritz Zwicky et Vera Rubin. De quoi est-elle faite ? C'est resté une énigme pendant un demi-siècle. Une nouvelle hypothèse dresse un tableau inhabituel.

Prédits par Wolfgang Pauli et nommés par Enrico Fermi, les neutrinos sont des particules quasi insaisissables. Au cœur des supernovas géantes et des fusions d'étoiles à neutrons, il s'en produit une quantité inimaginable. Chaque particule possède une saveur qui peut changer.

La matière, c'est comme une maison. Dans certaines pièces, l'ordre strict du cristal règne, chaque atome à sa place. Dans d'autres, c'est le chaos de l'hélium superfluide hélium, où les atomes oublient leurs voisins.

En relativité générale, le trou noir a longtemps été considéré comme un miroir parfait : quels que soient les champs qui tombent dessus, il ne se déforme pas.

L'intrication quantique est une ressource fragile. Chauffez un système, et les fluctuations thermiques déchireront les fils ténus des corrélations : à une température suffisamment élevée mais finie, l'état de Gibbs d'un hamiltonien local devient séparable, c'est-à-dire représentable comme un mélange…

Deux télescopes regardent le même Univers et voient des vitesses différentes. Les mesures locales sur les supernovae donnent 73.04 ± 1.04 km/s/Mpc, tandis que les données du fond diffus cosmologique, dans le modèle standard, prédisent 67.36 ± 0.54.

Au bord de l'espace-temps, là où aboutissent tous les rayons lumineux, vivent des symétries que les physiciens débattent depuis un demi-siècle. On les appelle superrotations : ce sont des transformations de la sphère céleste qui divergent en certains points, comme des tourbillons dans l'hélium superfluide.

Dans le bouillon bouillonnant de l'Univers naissant, toutes les particules perdaient leurs différences, comme des légumes à une température infernale. Retrouver cette recette simple est le but de la physique moderne. La théorie SO(10) – une extension du modèle standard – propose une telle recette.

Deux acteurs sur la même scène. L'un est un fermion, capricieux et exigeant, difficile à faire jouer selon les règles d'un simulateur quantique. L'autre est un boson, docile et peu exigeant, prêt à prendre n'importe quelle place. Le metteur en scène espère que le public ne remarquera pas la substitution.