Le CERN sur la piste de l’antigravité avec l’expérience GBAR

L’antimatière se comporte-t-elle comme la matière dans un champ de gravité ? Nous n’en sommes pas encore certains. Des expériences menées au CERN, comme celle appelée « GBAR », doivent le vérifier. Si tel n’est pas le cas et qu’il existe une « antigravité », il faudrait alors profondément modifier la physique que nous connaissons.

Les 52e rencontres de Moriond, qui rassemblent les physiciens des hautes énergies pour faire le point sur les dernières découvertes en physique fondamentale, viennent de s’achever à La Thuile, en Italie. Le bilan est clair pour la communauté : toujours aucun signe de la prochaine découverte d’une nouvelle physique (en particulier de la supersymétrie) en provenance des expériences qui la chassent, notamment au LHC.

Cela ne veut pas dire que nous n’avons rien appris sur ce que pourrait être cette nouvelle physique ; nous avons tout de même défriché une partie du territoire où elle pourrait se trouver avec des caractéristiques données.

D’ailleurs, la quête continue et les chercheurs tentent toujours de résoudre l’énigme de l’antimatière en cosmologie (en parallèle, ils essayent aussi d’en savoir plus sur la nature de l’énergie noire et de la matière noire). Se pourrait-il, par exemple, que, lors du Big Bang, les quantités de matière et d’antimatière (qui auraient dû être produites en quantités égales, selon le modèle standard) se soient séparées en deux régions distinctes du fait de forces répulsives, c’est-à-dire, finalement, sous l’action d’une antigravité ?

Elelna  CERN

Le CERN est sur la piste de l’antigravité avec l’expérience GBAR. Ici, l’anneau de décélération Elena, de 30 mètres de circonférence, qui réduit l’énergie des antiprotons pour améliorer l’efficacité des expériences sur l’antimatière. Source : CERN)

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5 nouvelles particules découvertes au LHC

L’expérience LHCb utilise l’un des quatre détecteurs géants dédiés à l’étude des collisions de protons au LHC. Les physiciens qui y travaillent viennent à nouveau d’annoncer la découverte de nouvelles particules : cinq baryons oméga du modèle standard.

Depuis plus de 50 ans maintenant, les physiciens se rassemblent pour faire le point sur les dernières découvertes en physique fondamentale à l’occasion des Rencontres de Moriond. Elles se déroulent en ce moment à La Thuile (Italie), dans une ambiance agréable, relaxée et conviviale, permettant à de jeunes chercheurs de discuter directement avec les leaders de leurs domaines.

Il se pourrait qu’on y parle des premiers signes de l’existence d’une nouvelle physique débusquée dans les dernières données recueillies au LHC… En attendant, le CERN a annoncé que l’un des détecteurs géants du Grand collisionneur de hadrons, LHCb, avait observé, lors d’une seule expérience, cinq nouvelles particules.

LHC CERN

Le LHC, le plus puissant collisionneur de particules jamais réalisé par l’Homme (Source : CERN).

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Une batterie liquide qui pourrait refroidir votre processeur tout en l’alimentant

Une équipe de chercheurs d’IBM Research et de l’École polytechnique fédérale de Zurich a mis au point une batterie à flux redox miniaturisée qui a le double avantage de pouvoir alimenter un processeur tout en le refroidissant. Une avancée qui pourrait ouvrir la voie à des puces électroniques encore plus performantes, et aussi servir pour des systèmes laser ou des cellules photovoltaïques à stockage intégré.

En informatique, la gestion de la chaleur a une incidence directe sur les performances des processeurs. Une situation on ne peut mieux illustrée par les centres de données (datacenter) où des centaines de serveurs dégagent des quantités importantes de chaleur et nécessitent des dispositifs de refroidissement complexes et onéreux.

Mais il se pourrait qu’un jour ce problème ne soit plus d’actualité. En effet, des chercheurs de l’École polytechnique fédérale de Zurich et d’IBM Research ont mis au point une microbatterie à flux redox qui peut à la fois produire de l’électricité pour alimenter un processeur tout en le refroidissant grâce à ses électrolytes liquides.

Batterie liquide

Si le concept de batterie à flux redox est connu de longue date, les chercheurs d’IBM et de l’ETH Zurich ont atteint un niveau de miniaturisation inédit.

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Le zéro absolu ne peut pas être atteint, c’est désormais une certitude

Tout comme la vitesse de la lumière est supposée indépassable, le zéro absolu est considéré comme inatteignable en physique. En réalité, c’est un théorème dont une démonstration plus solide et plus générale vient d’être trouvée.

La thermodynamique a été développée initialement sur des principes gouvernant les échanges de chaleur et de travail avec des systèmes physiques, en particulier quand il s’agit de moteurs. Elle reposait sur des mesures macroscopiques et des définitions de ce qu’il fallait entendre par pression, température, chaleur et travail totalement indépendamment de la structure atomique de la matière. Ces grandeurs étaient reliées par ce qu’on appelle des formes différentielles. Cette science héritée des travaux de Carnot, Clausius et Kelvin a probablement été mise sous sa forme la plus aboutie par le mathématicien grec Constantin Carathéodory (1873-1950) en 1909, quand il en a donné une formulation axiomatique en utilisant une approche purement géométrique.

Mais vers la fin du XIXe siècle, deux géants de la physique, l’Autrichien Ludwig Eduard Boltzmann et l’États-Unien Josiah Willard Gibbs ont réussi à dériver les principes et les équations de la thermodynamique à partir des lois de la mécanique, du calcul des probabilités, et surtout de l’hypothèse de l’existence des atomes. La nouvelle discipline qu’ils ont créée s’appelle la mécanique statistique, et avec la mécanique quantique et la théorie de la relativité générale, elle forme les trois piliers de toute la physique moderne. Boltzmann s’en était notamment servie pour ses travaux sur la théorie cinétique des gaz et pour découvrir une célèbre formule donnant l’entropie d’un gaz (et plus généralement d’un système physique) en fonction du nombre d’états microscopiques, ou nombre de configurations (encore appelé nombre de complexions), définissant l’état d’équilibre d’un système donné au niveau macroscopique.

Les travaux de Boltzmann, décriés par beaucoup de ses contemporains qui ne croyaient pas à l’existence des atomes, ont permis à Planck et Einstein de découvrir la quantification de l’énergie et du rayonnement avec le problème du corps noir. Bien que reposant sur des bases mathématiques problématiques (par exemple avec l’hypothèse d’ergodicité), la mécanique statistique de Boltzmann et de Gibbs s’est finalement largement imposée au début du XXe siècle. Une version quantique en a été donnée dans les années 1930 par von Neumann et Landau.

Système refroidissement CERN

Une vue d’un système de refroidissement au CERN (Source : CERN).

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L’optoélectronique offre une nouvelle façon d’enregistrer des données avec la lumière

Au cœur de la matière, les excitons jouent en quelque sorte un rôle de médiateurs dans le cadre des transferts d’énergie entre photons et électrons. De quoi expliquer leur importance capitale pour l’optoélectrique et aussi l’engouement pour les travaux de chercheurs européens qui annoncent être parvenus à manipuler des excitons à température ambiante jusqu’à enregistrer des données pendant plusieurs jours à l’aide d’un faisceau de lumière.

Les physiciens ont d’abord pensé que les quasi-particules qu’ils nomment excitons ne pouvaient exister que dans des matériaux semi-conducteurs ou diélectriques. En 2014, ils ont pu, pour la toute première fois, observer des excitons dans un métal. Pourtant, les dispositifs capables de leur donner naissance restent rares. Car ils ne fonctionnent généralement qu’à très basse température. Et ils sont particulièrement complexes à mettre en œuvre.

Mais grâce à des chercheurs de l’université ITMO de Saint-Pétersbourg (Russie), de l’université de Leipzig (Allemagne) et de l’université de technologie d’Eindhoven (Pays-Bas), la donne pourrait changer. Ils annoncent en effet être parvenus à générer des excitons à température ambiante. Non seulement à les créer, mais aussi à contrôler leur positionnement avec une précision de quelques centaines de femtosecondes. Le tout avec l’appui d’un réseau métallo-organique (MOF pour metal-organic framework).

Précisons que le concept de quasi-particule a été imaginé par les physiciens pour leur permettre de décrire certains phénomènes quantiques complexes. L’exciton — qui correspond à une paire électron-trou — est l’une d’entre elles. Elle permet d’appréhender l’idée d’un transfert d’énergie par un mécanisme appelé de transfert graduel, celui-ci se fait d’une molécule à sa voisine sous forme d’énergie d’excitation, laissant les molécules à leurs places respectives.

Télécommande infrarouge

La télécommande infrarouge constitue l’une des applications les plus connues de l’optoélectronique. Ce domaine de la physique s’intéresse aux technologies permettant l’émission et/ou la réception de signaux lumineux par des systèmes électroniques.

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Trous noirs supermassifs : des étoiles supergéantes en seraient à l’origine

Comment sont nés les trous noirs supermassifs, dont certains sont à l’origine des quasars, tapis au centre des galaxies ? De nouvelles et récentes simulations numériques consolident une des hypothèses avancées : ils se seraient formés à partir d’étoiles géantes de quelque 100.000 masses solaires. L’étude des ondes gravitationnelles pourrait confirmer, ou pas, ce scénario.

Dès le début des années 1960, l’existence d’étoiles supermassives a été postulée pour expliquer les observations étonnantes concernant les quasars qui venaient tout juste de faire leur apparition en astrophysique. La luminosité intrinsèque de ces objets semblait difficile à admettre étant donné leur décalage spectral vers le rouge qui indiquait qu’ils étaient très lointains. Des quantités prodigieuses d’énergie devaient être libérées chaque seconde et il n’est pas possible de rendre compte à partir de réactions de fusion thermonucléaire. Il était alors plus confortable intellectuellement de supposer l’existence d’étoiles géantes proches de la Voie lactée, voire dans notre Galaxie, mais avec un champ de gravitation si élevé qu’il produisait l’important décalage observé. Cette hypothèse aida à la création de l’astrophysique relativiste car de telles étoiles devaient nécessairement être soumises à des effets non négligeables de la physique d’Einstein concernant le champ de gravitation.

Les quasars sont expliqués aujourd’hui en postulant l’existence de trous noirs supermassifs possédant entre plusieurs millions et plusieurs milliards de masses solaires sous l’horizon des événements. Mais cette hypothèse, qui éclaire de nombreuses observations, a conduit à une nouvelle énigme : comment ces objets se sont-ils formés ?

Les astrophysiciens et les cosmologistes explorent plusieurs pistes, dont un renouveau de l’hypothèse de l’existence des étoiles supermassives relativistes au début de l’histoire du cosmos observable. Nous n’en avons pour le moment observé aucune mais cela n’empêche pas les astrophysiciens numériciens de simuler leur formation et leur comportement sur ordinateur, à travers divers scénarios. L’un des derniers en date à ce sujet provient notamment de chercheurs du fameux Los Alamos National Laboratory, là où a été conçu et fabriqué la première bombe atomique.

Etoile supermassive

Une coupe de l’intérieur d’une étoile supermassive d’environ 55.000 masses solaires débutant son explosion. Il s’agit d’une simulation montrant les courants de matière qui s’élèvent tels des panaches dans un volume dont le rayon est celui de l’orbite de la Terre. (Source : UCSC)

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Dinosaures : les secrets de leurs tailles gigantesques recherchés au synchrotron ESRF

À dessein de mieux comprendre comment les bébés des grands dinosaures se développaient et aussi pourquoi certains d’entre eux sont devenus des géants au cours de l’évolution, des paléontologues ont scanné aux rayons X trente œufs d’une espèce qui vivait il y a environ 215 millions d’années. Certains d’entre eux contenaient des embryons à divers stades de développement.

Même s’il est possible de retrouver du collagène de dinosaures vieux de 80 millions d’années, nous n’aurons jamais accès à l’ADN de ces terribles lézards car celui-ci ne se conserve pas assez longtemps. Jurassic Park restera un rêve, on peut donc renoncer à observer des dinosaures in vivo pour comprendre en détail leur biologie et leur éthologie.

Pour autant, les paléontologues ne se découragent pas car la chimie et la physique peuvent leur donner des renseignements précieux sur ces questions avec, bien sûr, les indispensables études de terrains. Il est possible ainsi de se servir des isotopes pour tenter de savoir si les dinosaures étaient à sang chaud ou froid.

Depuis une vingtaine d’années, ce sont aussi les rayons X qui sont mis à contribution car ils permettent notamment de faire des études non destructrices des fossiles encore pris dans leur gangue rocheuse. On en a une nouvelle illustration en ce moment avec l’annonce faite sur le site du fameux European Synchrotron Radiation Facility (en français Installation européenne de rayonnement synchrotron), l’un des trois plus importants synchrotrons actuellement en fonctionnement dans le monde. L’ESRF, comme il est toujours appelé, a ainsi mis à la disposition des paléontologues l’une de ses lignes de lumière, comme on dit dans le jargon des physiciens, pour faire de la microtomographie durant quatre jours et quatre nuits.

Oeuf Mussaurus patagonicus

Un œuf de Mussaurus patagonicus en cours d’étude à l’European Synchrotron Radiation Facility (Source : ESRF).

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