Physique des hautes énergies - Expérimentation hep-ex

Au Jefferson Lab, des électrons sont accélérés jusqu'à 12 GeV et percutent des protons pour leur soutirer leurs secrets. Mais les détecteurs existants ressemblent à des appareils photo à champ étroit : soit on voit beaucoup mais de façon sombre, soit on voit net mais sur une toute petite zone.

Au Grand collisionneur de hadrons, des millions de jets naissent chaque seconde : des flux de particules issus d'un quark ou d'un gluon. Distinguer un jet de quark top d'un jet de quark ordinaire est une tâche cruciale pour la chasse à la nouvelle physique.

Dans un laboratoire obscur, où les puces supraconductrices sont refroidies à des millièmes de kelvin, un qubit tourne sous l'effet d'un champ magnétique. Un qubit ordinaire tourne dans un sens. L'anticubit, son double miroir, tourne dans le sens opposé. Ensemble, ils forment une paire qui ressent le champ deux fois plus intensément que n'importe quelle paire ordinaire.

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.

En 2016, le détecteur LHCb au Grand collisionneur de hadrons a enregistré des millions de collisions proton-proton. Parmi les débris de ces collisions naissaient des mésons B neutres, des particules qui peuvent spontanément se transformer en leurs antiparticules et vice versa.

Deux muons naissent de la désintégration d'un méson êta et s'éloignent, liés par l'intrication quantique. Une expérimentatrice, Alice, mesure le spin du muon négatif, tandis qu'un autre, Bob, enregistre la direction du positron issu de la désintégration du muon positif.

Pendant 36 jours, le cyclone tropical Freddy a fait rage au-dessus de l'océan Indien, le plus long de l'histoire des observations. Les météorologues le suivaient depuis des satellites, des avions et des stations au sol. Mais un détail échappait à tous les instruments : la densité exacte de l'air au cœur du vortex.

En 1976, le physicien canadien Bill Unruh posa une question simple : que voit un observateur qui accélère dans le vide ? La réponse s'avéra étrange : le vide cesse d'être vide. L'observateur accéléré baigne dans un rayonnement thermique dont la température est proportionnelle à l'accélération.

En 1936, deux physiciens, Werner Heisenberg et Hans Euler, en travaillant sur les équations de l'électrodynamique quantique, découvrirent quelque chose d'étrange. Dans un champ magnétique suffisamment intense, le vide devrait cesser d'être vide.

Le muon est une toupie minuscule qui tourne dans la mer agitée du vide. Son axe magnétique pointe légèrement à côté de ce que prédit le modèle standard. L'écart n'est que de quelques millionièmes, mais pour les physiciens, c'est une véritable énigme. Le vide n'est pas un calme plat.

Au laboratoire DESY, l'expérience ALPS II a été lancée pour traquer les axions — ces particules fantômes hypothétiques dont pourrait être faite la matière noire. Cette masse invisible agit comme une armature qui empêche les galaxies de se disperser sous l'effet de leur rotation.

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.

Notre Soleil émet des flux de neutrinos — des particules qui interagissent à peine avec la matière. En traversant la matière dense du Soleil, ils changent de type — ce que les scientifiques appellent leur « saveur ». C'est comme une voix qui se modifie en traversant une foule : plus l'environnement est dense, plus la distorsion est forte.

Une étoile à neutrons est le résidu compressé d'un astre : une montagne de matière dans un volume minuscule. Si de la matière noire — cette substance invisible qui maintient les galaxies — s'y accumule, elle peut, sous certaines conditions, signer sa perte.

Dans un immense spectromètre à Karlsruhe, semblable à un gigantesque fût métallique, on capture des particules quasi impossibles à attraper. Les neutrinos sont les fantômes du monde microscopique : chaque seconde, des trillions de ces particules traversent votre corps sans que vous vous en aperceviez. Mais ils ont une masse, et les scientifiques veulent la mesurer.

Dans une pièce sombre, une cuve d'argon liquide. Parfois, une particule invisible la traverse, heurte un noyau atomique – et une faible lueur jaillit dans le liquide. Grâce à cette lueur, les physiciens tentent de comprendre quelle visiteuse s'est invitée.

La matière noire est invisible, mais c'est elle qui, selon les calculs, maintient les galaxies ensemble. Capturer ses particules, c'est un peu comme essayer d'entendre un murmure dans une pièce bruyante. Il faut un matériau qui réagisse de manière forte et visible à la moindre impulsion.

La matière noire est une substance invisible, cinq fois plus abondante dans l'Univers que la matière ordinaire. Ses particules interagissent à peine avec les atomes, mais elles peuvent parfois heurter un électron, comme une corde effleurée par le vent.

Les neutrinos sont les particules connues les plus insaisissables. Chaque seconde, des milliards de milliards de neutrinos provenant du Soleil traversent votre corps sans que vous vous en aperceviez : ils interagissent à peine avec la matière.

Dans une pièce sombre, on peut apercevoir une faible lueur bleue autour de certaines sources de radiation. C'est la lumière de Tcherenkov – elle apparaît lorsqu'une particule chargée traverse un milieu plus vite que la lumière ne s'y propage.

Deux trous noirs tournent l'un autour de l'autre, et leur danse ne ressemble pas toujours à une valse régulière. Si les trous noirs tournent sur leur axe, leur orbite peut commencer à culbuter — comme une toupie qu'on pousse et qui penche sur le côté tout en continuant à tourner.

La matière noire est cinq fois plus massive que la matière ordinaire, mais elle n'émet pas de lumière. Sa nature est inconnue. L'un des candidats est constitué de particules ultra-légères : les axions. Ils peuvent traverser la planète de part en part, sans presque remarquer les atomes.

On lance deux toupies en même temps, dans des directions opposées. Si l'une tourne vers la gauche, l'autre tourne toujours vers la droite, quelle que soit la distance qui les sépare. C'est à peu près ainsi que fonctionne l'intrication quantique, sauf qu'au lieu de toupies, on a des quarks top, les particules les plus lourdes connues.

À l'intérieur des protons, accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière, naît parfois une particule plus lourde qu'un atome d'or : le quark top. Elle ne vit que des fractions de seconde et se désintègre, laissant une trace dans le détecteur ATLAS.

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.

La matière noire est une substance invisible qui maintient les galaxies ensemble mais n'émet pas de lumière. Attraper ses particules, c'est comme entendre un murmure dans une salle bruyante. Les détecteurs ordinaires n'entendent que les coups forts, tandis que les signaux faibles se noient dans le bruit.

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.

Au plus profond d'un laboratoire souterrain, un détecteur de la taille d'une pièce attend un événement qui pourrait ne se produire qu'une fois tous les cent milliards de milliards d'années.

Au cœur d'un grand accélérateur de particules règne une pluie invisible de rayons gamma — comme si l'on laissait un fil de verre sous un appareil à rayons X allumé pendant des années. L'électronique classique y lâche rapidement, et il faut bien transmettre les données du détecteur vers l'extérieur.

Le cosmos est rempli de matière noire invisible, qui ne se trahit que par la gravitation. Son existence a été suspectée par Fritz Zwicky, puis confirmée par Vera Rubin.

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.

Chaque atome a sa propre « voix » : la fréquence de la lumière qu'il émet. Chez les isotopes, des atomes avec un nombre différent de neutrons, les voix diffèrent légèrement. C'est comme dans une chorale : si vous connaissez parfaitement la partition, la moindre fausse note révèle une intervention extérieure.

Lorsqu'un quark top naît dans un détecteur de particules, il se désintègre aussitôt en une pluie d'autres particules. Saisir dans cette pluie un indice de nouvelle physique, c'est comme essayer d'entendre un murmure dans un concert de rock.

À l'intérieur du réfrigérateur qui refroidit la matière presque jusqu'au zéro absolu bat un cœur mécanique : le tube à pulsation. Il pompe le gaz et évacue la chaleur, mais avec le froid, il apporte des vibrations. Chaque battement de ce cœur secoue les instruments placés près de l'échantillon et gâche les mesures délicates.

Un morceau de germanium ordinaire de la taille d'une paume peut détecter le passage d'une seule particule de matière noire. Mais pour cela, le cristal doit être presque parfait : sans bruit électrique, avec un champ uniforme à l'intérieur et des contacts qui ne produisent pas d'étincelles sous haute tension.

Un muon, c'est comme un électron, mais 207 fois plus lourd. Lorsqu'il pénètre dans la matière, il ralentit comme une balle dans une épaisse couche de sable, et à chaque virage de sa trajectoire, il émet des rayons X. Ces rayons permettent de savoir quels atomes le muon a rencontrés — c'est le principe de la méthode MIXE.

Dans le détecteur du Grand collisionneur de hadrons, après chaque collision de protons, il reste des milliers de points — les traces des particules qui s'éloignent. Un réseau de neurones a appris à voir des motifs dans cette configuration et à prédire ce qui s'est passé au moment de l'impact.

Le diamant n'est pas qu'un simple bijou. Ce cristal peut conduire l'électricité lorsque des porteurs de charge libres y apparaissent : des électrons et des trous. Mais à quelle vitesse se déplacent-ils ? Dans les articles scientifiques, les chiffres varient d'un facteur dix. Un laboratoire rapporte une vitesse de 1000 cm²/(V·s), un autre de 4000.

Dans l'accélérateur de particules de Pékin, on fait entrer en collision des électrons et des positrons, et pendant un bref instant naît une particule appelée êta-psi. Elle vit une fraction infime de seconde puis se désintègre en d'autres particules. L'un des chemins les plus rares est de se séparer en deux photons, les particules de lumière.