lepton tau

Dans une cuve contenant trois tonnes de xénon liquide, cachée profondément sous terre, quelque chose a bougé un jour. Pas le xénon lui-même, mais l'un de ses noyaux atomiques : il a reçu une impulsion de 248 keV et a rebondi comme une boule de billard heurtée par une boule invisible.

Tout en haut des montagnes, là où l'air est pur et silencieux, des physiciens s'apprêtent à attraper des visiteurs insaisissables venus du cosmos : les neutrinos. Ces particules, telles des fantômes, traversent la Terre sans presque laisser de traces. Mais parfois, un neutrino percute un atome, engendrant une pluie de particules que l'on peut observer.

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.

En 2021, l'observatoire LHAASO a détecté des rayons gamma d'énergie supérieure à l'électron-volt-péta provenant de sources comme la nébuleuse du Crabe — un reste d'explosion de supernova au centre duquel pulse une étoile à neutrons.

Au cœur d'une étoile à neutrons — le vestige d'une étoile explosée — la matière est si comprimée qu'une cuillère à café pèse des milliards de tonnes. Parmi cette matière hyperdense, une variété particulière de force pourrait agir, une qui ne concerne que les neutrinos muoniques et tauiques.

Le lepton tau est une particule à vie courte, un lourd cousin de l'électron. Lorsqu'il se désintègre, ses quarks échangent des gluons, un peu comme des joueurs dans une pièce fermée se renvoient un ballon. On ne voit pas les passes elles-mêmes, seulement le score final : deux pions qui s'éloignent sous certains angles.

L'électron et le muon sont de minuscules aimants. Leur magnétisme est légèrement supérieur à deux (dans des unités spéciales), et cette « fraction excédentaire » (le moment magnétique anomal) naît de l'agitation constante du vide : des paires de particules apparaissent et disparaissent brièvement.

D'un côté de la balance, toute la matière de l'Univers ; de l'autre, toute l'antimatière. Selon les lois de la physique, au moment de la naissance du monde, les plateaux auraient dû s'équilibrer. Mais nous voyons qu'un plateau l'emporte : autour de nous, il y a des étoiles, des planètes, des humains, et presque pas d'antimatière.

Au plus profond du sol au Japon se trouve un immense réservoir rempli d'eau ultrapure. Il attend de rares visiteurs : les neutrinos, arrivant des explosions d'étoiles lointaines. Ces visiteurs sont si rares qu'au fil des années d'observation, l'appareil Super-Kamiokande n'enregistre que quelques événements.

Une gare bruyante à l'heure de pointe. Des milliers de personnes se pressent, les voix se fondent en un bourdonnement. Et quelque part dans cette foule, deux personnes tentent de se serrer la main d'une manière particulière, à peine perceptible. Repérer une telle poignée de main est presque impossible.

Le feu d'artifice éclate, et un point se disperse en quatre étincelles. C'est un peu ce que fait le boson Z — la particule qui porte l'interaction faible — lorsqu'il se désintègre en quatre leptons chargés (électrons ou muons). Le processus est extrêmement rare : sur un million de naissances de bosons Z, on n'observe qu'environ cinq événements de ce type.

Dans l'accélérateur SuperKEKB, des électrons entrent en collision avec des positrons — et parmi les débris, on trouve des mésons B. Ces particules lourdes vivent peu de temps et se désintègrent en particules plus légères.

Un interprète qui, à mi-chemin de la salle, se met soudain à traduire à l'envers. C'est à peu près ce qui pourrait arriver à un neutrino — cette particule fantôme qui ignore presque la matière — si son chemin croise un nuage de matière noire ultralégère.

Une pièce qui retombe sur sa tranche : c'est à peu près aussi rare que la désintégration d'un méson B lourd en un pion léger et une paire électron-positron. En une décennie de fonctionnement du collisionneur, seules quelques poignées de tels événements ont été accumulées, mais les physiciens ont enfin pu les distinguer.

La vitesse de la lumière dans le vide est le métronome de la physique : elle donne le rythme à tous les processus. Qu'elle déraille, et l'harmonie habituelle s'effondre. Pour vérifier si ce rythme ne se dérègle pas dans des conditions extrêmes, on peut compter sur les neutrinos — des particules omniprésentes mais presque insaisissables venues du cosmos.

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.

Au cœur de chaque atome se trouve un proton. Longtemps, on l'a cru éternel, comme la matière elle-même. Mais les théories qui unifient toutes les forces de la nature prédisent que, tôt ou tard, le proton se désintégrera. La seule question est de savoir combien de temps il faudra attendre.

La collision de deux noyaux de plomb au Grand collisionneur de hadrons, c'est comme se lancer deux lourds sacs de billes. En général, les billes s'éparpillent dans tous les sens, mais parfois un sac passe si près que les billes ne se heurtent pas, mais échangent seulement des regards.

Une autoroute circulaire autour du Soleil, où ne circulent pas des voitures mais des paquets de matière. Le diamètre de cette route se mesure en années-lumière : elle ceinture notre système planétaire à sa frontière extérieure, dans le nuage d'Oort, là où l'attraction de l'étoile se fait encore sentir.

Dans les premières minutes qui ont suivi le Big Bang, l'Univers a préparé un cocktail d'hydrogène, d'hélium et d'une pincée de lithium.

Un minuscule supraconducteur en lévitation au-dessus d'un aimant, c'est comme un bouchon à la surface d'un océan invisible. Le moindre souffle de matière noire le fait frémir. Les scientifiques ont envisagé deux types de ce « vent ».

Le lepton tau est un lourd cousin de l'électron, qui vit moins d'un billionième de seconde. D'habitude, il se désintègre en particules plus légères, mais jamais directement en trois muons : une telle transition est interdite par les lois connues de la physique des particules. Si elle se produisait, cela signifierait que des forces inconnues agissent dans la nature.

Dans un anneau souterrain de 27 kilomètres de circonférence, des protons sont accélérés jusqu'à une vitesse proche de celle de la lumière puis projetés frontalement les uns contre les autres. Au point d'impact, des conditions comparables à celles qui régnaient dans le premier billionième de seconde après la naissance de l'Univers sont créées pendant un instant.

Dans le détecteur ATLAS du Grand collisionneur de hadrons, les particules laissent des traces comme des skieurs sur la neige. Certaines traces s'interrompent après quelques centimètres — c'est ainsi qu'apparaîtrait une particule qui naît, parcourt un court trajet puis se désintègre en quelque chose d'invisible.

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

Dans le détecteur CMS du Grand collisionneur de hadrons, des protons entrent en collision avec une énergie énorme, produisant une multitude de particules. La plupart se désintègrent presque instantanément, juste au point de collision.

Un caillou tombe dans un étang, et des cercles se propagent à la surface. Mais parfois, le caillou ne coule pas immédiatement : il glisse sous la surface, parcourt quelques mètres, puis remonte, créant des cercles à un endroit inattendu.

Lorsqu'une étoile massive épuise son carburant thermonucléaire, son cœur s'effondre et ses couches externes sont éjectées dans une explosion grandiose — une supernova (terme introduit par Fritz Zwicky en étudiant ces catastrophes).

Dans les années trente, Wolfgang Pauli comprit que sans de minuscules particules fantômes, l'énergie des étoiles ne quadrait pas. Ainsi naquirent les neutrinos — d'insaisissables vagabonds qui traversent tout.

Très haut au-dessus de la calotte glaciaire de l'Antarctique, un ballon muni d'un détecteur est resté suspendu pendant vingt jours. Il captait de minuscules particules qui, depuis des millions d'années, voyagent jusqu'à nous après de lointaines explosions stellaires.