Physique des hautes énergies - Réseau hep-lat

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.

Une corde tendue entre deux quarks ne se rompt pas instantanément, comme un élastique. Elle vibre d'abord, des nœuds apparaissent, et ce n'est qu'ensuite qu'elle se brise, si elle se brise.

Des physiciens ont utilisé un simulateur quantique — un dispositif qui imite le comportement de particules chargées — pour étudier leurs collisions à des énergies énormes.

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.

L'expansion de l'univers est comme une piste de danse qui s'étire. Pendant des décennies, les physiciens ont supposé que plus l'étirement est grand, plus il engendre de particules, un peu comme si le sol générait spontanément de nouveaux danseurs. Mais ces modèles ignoraient une évidence : les danseurs se tiennent parfois par le bras.

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.

L'eau gèle à zéro degré et bout à cent degrés. La matière faite de quarks et de gluons a aussi des frontières entre ses états, mais au lieu d'un thermomètre, on parle ici de températures en millions d'électron-volts.

Le faisceau d'électrons frappe le proton comme une boule de billard en heurte une autre. Mais entre eux, ce n'est pas le vide : les particules ont le temps d'échanger des photons virtuels et des bosons Z, comme des joueurs qui se passent le ballon dans le dos.

Un ordinateur quantique à ions piégés a joué le rôle d'un minuscule univers. Dans cet univers, les particules ne se contentaient pas de se déplacer : elles s'entrelaçaient en nœuds qui changent de propriétés lorsqu'on les échange. Ces nœuds sont appelés anyons de Fibonacci – ce ne sont pas des particules ordinaires, mais plutôt des vortex dans le tissu de l'espace.

Le méson phi est une particule qui ne vit qu'un instant, mais qui peut s'accrocher brièvement aux protons et aux neutrons d'un noyau atomique. Des physiciens ont étudié ce qui se passe si un tel méson se retrouve à l'intérieur de noyaux légers d'hélium et d'hydrogène.

Dans le monde minuscule, la lumière et la matière obéissent à des lois difficiles à calculer même avec un superordinateur. Les physiciens construisent des « simulateurs quantiques » spéciaux : des dispositifs où des atomes froids jouent le rôle de particules et de champs.

Un proton ordinaire est constitué de trois quarks – comme un tabouret à trois pieds. Mais la nature n'interdit pas d'assembler un « fauteuil » de quatre quarks, si deux d'entre eux sont des quarks beauté lourds et deux sont légers.

Le proton n'est pas une boule uniforme. À l'intérieur, un mélange bouillonnant de quarks et de gluons. Les gluons sont les particules qui collent les quarks entre eux, comme la colle assemble des planches de bois. La question est : quelle part du « poids » du proton revient à cette colle ?

À l'intérieur du proton, les quarks s'attirent via les gluons, comme par des ressorts. Lâchez un quark : le ressort se tend et casse, engendrant un nouveau quark.

Le proton n'est pas une boule lisse, mais un écheveau de quarks et de gluons qui se déplacent sans cesse et échangent de l'énergie. Savoir comment l'énergie, la pression et le spin sont répartis à l'intérieur est impossible directement : les mesures ne donnent que des points rares et bruités.

Une pierre lourde tombe dans un étang, et des cercles se propagent à la surface avec un motif particulier — on peut en déduire ce qui se cache sous l'eau.

À l'intérieur de chaque proton et de chaque neutron, un travail invisible bouillonne : les gluons, particules vectrices de l'interaction forte, collent les quarks ensemble. On peut comparer ce champ à des élastiques qui empêchent les quarks de s'éparpiller.

L'eau dans une bouilloire bout à cent degrés, mais si on la comprime fortement, elle se comporte différemment. De la même manière, les quarks et les gluons — les briques qui composent les protons et les neutrons — changent de propriétés sous l'effet d'un champ magnétique intense.

Le muon ressemble à l'électron, mais il est 200 fois plus lourd et ne vit que deux millionièmes de seconde. Son moment magnétique — la manière dont la particule réagit à un champ magnétique — est mesuré avec une précision fantastique. Mais la valeur mesurée est légèrement supérieure à ce que prédit la théorie.

Les particules lourdes que les physiciens appellent baryons ressemblent à de minuscules familles de trois quarks. Les baryons ordinaires sont les protons et les neutrons qui constituent tout ce qui nous entoure. Mais il existe aussi des cousins exotiques : au lieu de quarks légers, ils contiennent des quarks charmés ou beaux — lourds et éphémères.

Si l'on place un kaon dans un champ électrique, il s'étire légèrement, comme un ballon de baudruche frotté sur un pull. Cette réponse — la polarisabilité électrique — indique à quel point la particule est rigide à l'intérieur.

Pour comprendre comment l'Univers est né du Big Bang, les physiciens s'appuient sur l'idée d'expansion de Georges Lemaître, fondée sur les lois de Hendrik Lorentz.

Si vous essayez de briser un proton et d'en extraire un quark, vous aurez une surprise. Les forces ordinaires, comme la force électrique, faiblissent lorsque les particules s'éloignent. Ici, c'est le contraire. Plus un quark est loin de ses voisins, plus il est rappelé.

L'eau bout dans une casserole, et les bulles de vapeur n'apparaissent pas n'importe où : elles s'accrochent de préférence aux rayures ou aux poussières sur le fond.

Un calcul quantique ressemble parfois à un interprète qui se laisse distraire par chaque bruissement dans la salle — et une réunion d'une heure se transforme en deux heures.

Dans le cœur brûlant d'une étoile, deux noyaux d'hélium se rapprochent comme deux danseurs sur une scène bondée. Leur danse, c'est la diffusion alpha, fondement de la combustion de l'hélium stellaire hélium]. La fluidité de leurs pirouettes détermine la vitesse à laquelle l'étoile consomme son carburant.

La charge électrique ne ressemble pas à un nombre gravé dans la pierre. Dans le vide autour de toute particule chargée, des paires « particule-antiparticule » naissent et disparaissent sans cesse, un peu comme la mousse dans une coupe de champagne.

Le neutron est l'une des particules les plus neutres de la nature. Mais si l'on ajoute aux lois de la physique un paramètre particulier (appelé terme thêta du modèle standard), un infime déséquilibre de charge apparaît à l'intérieur du neutron. Un côté devient légèrement positif, l'autre légèrement négatif.

Le proton n'est pas une boule pleine, mais une minuscule prison. À l'intérieur, trois quarks sont enfermés, et le champ de gluons les empêche de s'échapper – une sorte de fils invisibles qui ne font que se renforcer lorsque les quarks tentent de s'éloigner.

Une balance capable de peser l'invisible — c'est ainsi que fonctionne le rapport des désintégrations des mésons légers (pion et kaon) en électrons et en muons. Si la nature obéit aux mêmes règles pour toutes les générations de particules, les plateaux de cette balance affichent un nombre strictement défini. Mais si une force inconnue se cache quelque part, l'aiguille tremblera.

Un ordinateur quantique ressemble généralement à une chaîne de montage : les opérations se succèdent et chaque erreur s'accumule. Dans cette nouvelle étude, les physiciens ont testé une autre voie : une architecture où le calcul émerge du processus de mesure lui-même. Ils ont pris 56 ions dans un piège et les ont enchevêtrés en un nuage tridimensionnel de particules intriquées.

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).

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.

Un traducteur qui, autrefois, ne saisissait que des bribes de phrases, entend désormais toute la conversation. De même, les physiciens étudiant les interactions fortes n'ont longtemps pas pu calculer comment deux particules réagissent à un impact de lumière lorsqu'elles ne forment pas un noyau stable.