Physique des hautes énergies - Phénoménologie hep-ph

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 cœur silencieux de l'univers, là où les particules se rencontrent et se séparent, naît un acte d'harmonie pure. Deux bosons de Higgs se croisent et, l'espace d'un instant, forment un tout — et si l'on exige que leur intrication quantique atteigne toujours sa limite, tel un diapason donnant le ton parfait, les équations s'illuminent soudain…

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 accélérateur, deux particules de Higgs entrent en collision. Pendant un instant fugace, leurs destins s'entrelacent, puis se séparent, emportant l'information de la rencontre.

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.

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.

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.

Le 9 octobre 2022, l'espace a offert un spectacle que les astronomes n'avaient jamais vu de toute l'histoire des observations. Le sursaut gamma GRB 221009A, l'explosion cosmique la plus puissante produisant un éclair de rayons gamma, a ébloui les détecteurs en orbite et sur Terre.

Dans les laboratoires terrestres, on obtient un condensat de Bose-Einstein en refroidissant un nuage d'atomes à des milliardièmes de kelvin. Les atomes perdent leur individualité et se fondent en une seule onde quantique qui se comporte comme un tout.

L'Univers, après le Big Bang, était presque parfaitement homogène. Presque, car de minuscules inhomogénéités de densité, étirées par l'inflation, sont devenues les germes des galaxies. Mais si ces mêmes inhomogénéités pouvaient engendrer non seulement des étoiles, mais aussi des trous noirs ?

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.

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.

L'électron s'échappe du noyau de tritium avec une énergie de 18,57 keV, laissant derrière lui un partenaire invisible : le neutrino. Si ce neutrino a accès à la cinquième dimension, sa masse se décompose en une tour entière d'états, et chacun d'eux prélève sa part du spectre.

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.

Le radiomètre ARCADE2, embarqué sur un ballon stratosphérique, a détecté un excès de rayonnement radio, tandis que l'expérience au sol EDGES a observé un creux anormalement profond dans le spectre de l'hydrogène à 21 cm.

Deux trous noirs tournent l'un autour de l'autre dans une danse serrée, et autour d'eux naît quelque chose d'étonnant : une molécule gravitationnelle. Un nuage de bosons ultra-légers, des particules de masse inférieure à l'électron-volt, enveloppe la paire comme le nuage électronique dans l'ion H2+.

Un détecteur d'ondes gravitationnelles ne capte pas seulement le grondement des fusions, mais aussi le faible éclat lorsqu'une étoile ou un nuage de gaz plonge dans un trou noir supermassif.

Au fond du cryostat, sous les couches de bobines supraconductrices, repose une pile de centaines de couches semiconductrices. Chaque couche a une épaisseur de quelques nanomètres : de l'arséniure de gallium, puis de l'arséniure d'aluminium-gallium. Les électrons à l'intérieur de ces couches sont confinés dans un plan, comme des fourmis sur une feuille de papier.

Un flocon de neige, en tombant d'un nuage, choisit entre une forme gauche et une forme droite. La différence entre les deux est presque imperceptible, comme un souffle de vent, mais c'est précisément ce souffle qui décide du motif qui se formera.

Il y a cent ans, les observatoires magnétiques n'enregistraient que les lentes respirations du noyau terrestre. Aujourd'hui, leurs données deviennent un terrain de chasse pour la physique des particules.

En 1976, Gerard 't Hooft a remarqué que le vide d'une théorie de jauge n'est pas aussi simple qu'il y paraît : il possède une structure topologique qui se manifeste par une susceptibilité topologique non nulle.

Un système quantique, une fois né, ne l'oublie pas. Même après des dizaines de durées de vie, il reste dans sa désintégration une trace de l'état initial : une queue en loi de puissance qui décroît lentement. Pour deux colorants fluorescents, l'érythrosine B et l'éosine Y, cette queue a pu être observée pour la première fois dans deux canaux spectraux à la fois.

La collision de deux étoiles à neutrons est un choc qui s'entend dans tout l'Univers. Les détecteurs d'ondes gravitationnelles captent les ondulations de l'espace-temps, mais le son le plus intéressant commence après l'impact : le résidu de la fusion, une étoile à neutrons hypermassive en rotation rapide, continue de vibrer…

Chaque soir, dans les archives municipales, l'agent de service range les nouveaux dossiers sur les étagères. Si la journée en a apporté trop, les étagères plient et, le lendemain matin, les archives répondent plus lentement aux demandes. C'est à peu près ainsi que fonctionne la mémoire d'un trou noir : elle ne se contente pas de stocker l'information, elle en ressent physiquement le poids.

Trois branches de la physique — la cosmologie, la physique des particules et la physique nucléaire — ont longtemps fonctionné comme des rives isolées.

C'est Vera Rubin qui a découvert que les étoiles des confins des galaxies se déplacent trop vite, comme si une toile invisible les retenait. Et Fritz Zwicky a été le premier à soupçonner qu'une masse invisible immense se cache dans les amas de galaxies.

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

Les rayons cosmiques – des particules d'une énergie prodigieuse – filent dans les ténèbres de l'espace intergalactique. Lors d'une collision frontale, leur puissance pourrait se comprimer en un trou noir de la taille d'un atome.

L'Univers primordial était loin d'être parfait : certaines régions s'étiraient plus vite que d'autres, créant des plis et des distorsions. Mais le rebond quantique — le passage de la contraction à l'expansion, provoqué par les lois du monde microscopique — corrige tout.

Moment dipolaire mesuré du tantale-181 : 3,39 × 10⁻³² e·cm — c'est comme repérer un déplacement d'un atome à l'échelle du système solaire. Un noyau atomique ordinaire est parfaitement équilibré, telle une toupie qui tourne.

La matière noire est la fondation invisible de l'Univers. Vera Rubin en a prouvé l'existence grâce au mouvement des étoiles, mais les particules n'ont toujours pas été attrapées.

La gravité agit comme un photographe invisible. Lorsqu'un morceau de métal tombe, un champ électrique naît à l'intérieur, selon Albert Einstein et l'électromagnétisme de James Clerk Maxwell — c'est ainsi que la courbure de…

Tout juste après le Big Bang, des astres inhabituels ont pu naître : les étoiles sombres. Contrairement au Soleil, elles ne brûlaient pas de carburant nucléaire, mais se nourrissaient des collisions de particules de matière noire, qui libèrent de l'énergie lors de ces chocs.

Quand Edwin Hubble a découvert l'expansion de l'univers et que Vera Rubin a mis en évidence la matière noire, l'édifice de la cosmologie semblait solide.

Les trous noirs vivent rarement dans le vide. Ils sont souvent enveloppés de nuages invisibles de particules de matière noire — si légères qu'elles ne ressentent que la gravité. Quand le nuage est dense, le système évoque un atome géant : un essaim de particules orbite autour du trou noir comme des électrons autour d'un noyau.

D'habitude, on considère que le nombre de dimensions est constant : longueur, largeur, hauteur. Mais dans le monde quantique, même cela peut être changeant. Une nouvelle théorie décrit des systèmes où la dimension n'est pas une constante, mais une propriété quantique capable d'être différente en même temps.

En octobre 2022, l'observatoire LHAASO a mesuré le spectre (distribution des énergies) du sursaut gamma GRB 221009A — le plus brillant jamais enregistré. Sa lumière a voyagé pendant deux milliards d'années et était si intense qu'elle a perturbé les couches supérieures de l'atmosphère terrestre.

Des scientifiques ont décrit un nouveau type d'étoile invisible qui se comporte comme une lentille respirante. Cette étoile est composée de bosons ultralégers (des particules pas encore découvertes). Son attraction provoque la courbure de l'espace-temps — c'est cela la lentille, qui se dilate et se contracte rythmiquement, comme si elle respirait.

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.

Dans les années 1930, Fritz Zwicky, en observant l'amas de la Chevelure de Bérénice, a remarqué des vitesses anormalement élevées des galaxies : leur mouvement indiquait la présence d'une immense masse cachée, liant gravitationnellement le système.