Modélisation de la Matière

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Modèles grecs

La théorie atomiste Leucippe et Démocrite

Vers -500 avant notre ère, la notion d’atome a été introduite par le philosophe grec Leucippe de Milet puis a été reprise et développée par Démocrite puis Epicure vers -400.
Ces philosophes pensaient que la matière est formée de grains invisibles qui ne peuvent être divisés (atome vient du grec atomos : qu’on ne peut pas couper).
Les atomes sont pleins et de forme variée : certains sont ronds, d’autres crochus… de telle manière qu’ils puissent s’accrocher entre eux pour former la matière que nous pouvons voir.
Cette conception de la matière implique que la matière est discontinue et qu’elle est constituée de matière (les atomes pleins) et de vide (espace non rempli entre les atomes).

Pour ces philosophes, les atomes sont :
Invisibles à cause de leur extrême petitesse
Insécables ou indivisibles comme leur nom l’indique
Pleins (pas de vide à l’intérieur)
Eternels car parfaits
Entourés d’un espace vide (pour expliquer le mouvement et les changements de densité)
Ayant une infinité de formes (pour expliquer la diversité observée dans la nature)
En fonction de la forme est des associations des atomes entre eux, ceux-ci auront des propriétés différentes.
Il reste dans le langage, comme ayant traversé le temps depuis cette époque, l’expression « avoir (ne pas avoir) des atomes crochus avec une personne ».

Dans la réflexion des philosophes grecs de cette époque, Anaxagore qui n’était pas un partisan de la théorie atomiste écrivait : « Par rapport au petit, il n’y a pas de minimum, mais il y a toujours un plus petit, car il n’est pas possible que l’être soit anéanti par la division » mais aussi « Rien ne naît ni ne périt, mais des choses déjà existantes se combinent, puis se séparent de nouveau ».
Cette expression sera reprise par Lavoisier en 1789 dans la célèbre phrase « rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme »

Voir l’article « Classification et Modélisation des Atomes »

La théorie des éléments Aristote et Platon

Pour Aristote et Platon toute matière est constituée d’un mélange des quatre éléments : le feu, l’eau, la terre et l’air.

Les solides de Platon (Polyèdres réguliers convexes)

La légende veut que, au fronton de l’Académie, l’école qu’il avait créée à Athènes, Platon ait fait inscrire la phrase « Que nul n’entre ici s’il n’est géomètre ».

Dieu, selon Platon, affectionne donc les nombres et les figures géométriques.  Parmi ces nombres et figures, il affectionne particulièrement le nombre 3 et le triangle qui sont, par ailleurs, des symboles forts dans de nombreuses cultures et religions. Parmi ces triangles il en existe deux que Platon considère comme les plus beaux. La beauté étant, avec la bonté, la caractéristique de Dieu.
Le premier de ces triangles est le triangle rectangle isocèle.
Quant à l’autre, le  plus beau de tous « Nous jugeons que parmi cette multitude de triangles il y a une espèce plus belle que toutes les autres, et pour laquelle nous les laissons toutes de côté, savoir celle dont deux forment un troisième triangle qui est équilatéral « .
Pour Platon la cause est entendue : c’est à partir de ces belles figures que Dieu ne pouvait manquer de structurer le monde.

Quels beaux volumes la géométrie nous offre-t-elle ? Pythagore, ses disciples et ses successeurs, ont déjà exploré ce territoire et fait connaître les cinq polyèdres réguliers, c’est à dire ces volumes dont toutes les faces sont identiques.

Ce sont nécessairement des triangles équilatéraux qui servent à construire les trois premiers. Le plus simple, le tétraèdre, est une pyramide à quatre faces. Vient ensuite l’octaèdre à huit faces puis l’icosaèdre à vingt faces. Viennent ensuite le cube à six faces carrées et le dodécaèdre à douze faces pentagonales. De ces solides, nous dit-il, toujours par la voix de Timée,
« celui qui a le moins grand nombre de bases doit nécessairement être le plus mobile, le plus tranchant et le plus aigu de tous et aussi le plus léger », c’est donc la forme du feu.
Le second sera celle de l’air et le troisième celle de l’eau, en quatrième position vient le cube, ou hexaèdre, aux six bases carrées. « Donnons à la terre la figure cubique. En effet, des quatre genres la terre est la plus stable, de tous les corps c’est le plus facile à modeler, et tel devait être nécessairement celui qui a les bases les plus sûres ».

Pour répondre à qui prétendrait ne pas avoir observé ces différentes formes dans la nature, Il faut « se représenter tous ces corps comme tellement petits que chacune des parties de chaque genre, par sa petitesse, échappe à nos yeux, mais qu’en réunissant un grand nombre, leur masse devient visible »

Tout se transforme.

Il imagine aussi une transmutation possible entre ces différents corps.
Ainsi, « lorsque le feu est renfermé dans de l’air, de l’eau ou de la terre, mais en petite quantité relativement à la masse qui le contient, si, entraîné par le mouvement de ces corps et vaincu malgré sa résistance, il se trouve rompu en morceaux, deux corps de feu peuvent se réunir en un seul corps d’air ». L’arithmétique est respectée : les huit triangles équilatéraux issus des deux tétraèdres de feu peuvent se convertir en un octaèdre d’air. De même « si l’air est vaincu et brisé en petits fragments, de deux corps et demi d’air un corps entier d’eau peut être formé ». Chacun peut vérifier que le compte en terme de triangles équilatéraux est respecté.

Il n’est pas interdit d’en sourire, même si l’observation du changement d’état des corps, l’eau s’évaporant et devenant « air » sous l’effet de le chaleur (du feu) puis se condensant à nouveau en eau pouvait s’accorder à une telle proposition.

Reste un cinquième polyèdre régulier, le dodécaèdre. Il a des propriétés mathématiques plus riches. Il comporte 12 faces comme le nombre des signes du zodiaque. Chacune étant un pentagone régulier, figure particulièrement symbolique avec sa variante, l’étoile à cinq branches.

Il est facile, au moyen d’une règle et d’un compas de construire un triangle équilatéral, un carré, un hexagone, un octogone. Tracer un pentagone régulier pose un tout autre problème et n’est à la portée que d’habiles géomètres. Disons, sans développer davantage, qu’il fait intervenir des rapports entre longueurs de segments laissant apparaître le « nombre d’Or », le nombre, supposé divin, tardivement attribué aux philosophes et bâtisseurs des temps antiques
soit : \frac{\displaystyle 1+\sqrt{5}}{\displaystyle 2} = 1,618

Le dodécaèdre est donc à lui seul un condensé de rapports magiques. Platon lui confie un rôle à la hauteur de ce statut : « il restait une seule et dernière combinaison, dieu s’en est servi pour tracer le plan de l’Univers ». Derrière cette formule ambiguë certains voudront trouver l’esprit pensant, la force vitale, l’énergie motrice ou tout autre concept illustrant l’animation de la matière.

On en fera aussi le symbole de la cinquième essence, la « quinte-essence » (quintessence), la substance qui, désignée encore sous le nom « d’Ether », était supposée occuper l’univers des étoiles. Cet « Ether », lumineux, électrique et même quantique, qui reviendra de façon cyclique dans le vocabulaire des physiciens quand il leur faudra, comme au temps des premiers philosophes, nommer l’inexplicable.

En 1752 le mathématicien suisse Leonhard Euler, démontre l’équation permettant de calculer l’égalité reliant pour les polyèdres un nombre F de faces, A d’arêtes et S de sommets :
F + S – A = 2

La vision atomiste au cours des siècles

L’atomisme vitaliste de Giordano Bruno au XVIème siècle

Giordano Bruno double son atomisme d’un vitalisme, dans un poème latin intitulé « De minimo » (Du minimum), daté de 1591.
L’atome est centre de vie, il est un point où vient s’insérer l’âme du monde. Il nomme minimum ou monade une entité indivisible qui forme l’élément minimal des choses matérielles et spirituelles. La monade, qui correspond au point des mathématiques ainsi qu’à l’atome de la physique, est cet être primitif, de nature autant corporelle que spirituelle, qui génère, par des rapports réciproques, la vie du monde.

Le « corpuscularisme » du XVIIème siècle

Sans être nécessairement atomistes, Galilée, Gassendi, Boyle, Newton admettent l’existence de petites particules de matière dans la nature. 
En 1624 Etienne de Clave, qui avait clamé : « Tout se compose d’atomes », fut arrêté et un procès intenté.
En 1646, Johannes Magnenus, un Français, écrivit un Democritus reviviscens sive d’atomis (Démocrite revivant, ou de l’atome).

20 siècles auront été nécessaires pour que la science parvienne à un modèle de la matière reposant sur une théorie atomiste.

L’atomisme scientifique du XIXème siècle

John Dalton formule la théorie atomique moderne, scientifique, à base expérimentale, dans son grand ouvrage, New System of Chemical Philosophy (1808-1827).
Il donne la première représentation symbolique liée aux dispositifs des atomes et un tableau des masses atomiques.
Amedeo Avogadro, chimiste l’Italien établit en 1811 une distinction entre les atomes et les molécules.
Michael Faraday, chimiste français, admet implicitement en 1833 dans ses travaux « l’hypothèse atomique », qui commence alors à s’imposer en chimie.
Henri Becquerel, physicien français, découvre en 1896 la radioactivité et marque la naissance de la physique nucléaire proprement dite.
Pierre et Marie Curie, poursuivant ces travaux en décembre 1898 isolent de plusieurs tonnes de pechblende (minerai d’uranium) le polonium et le radium tous deux émetteurs de rayonnement alpha.

Les grandes découvertes du XXème siècle

Ernest Rutherford et Soddy établissent en 1903 la théorie des réactions nucléaires.

Albert Einstein énonce sa célèbre formule en 1905. On retrouve le mathématicien à tous les moments clé de l’histoire de l’atome au XXème siècle

Niels Bohr, jeune physicien Danois, précise en 1912 le « modèle » que Rutherford a mis au point. Il propose le premier modèle de l’atome.

Bothe et Becker en Allemagne, Chadwick en Grande-Bretagne, Irène (fille de Marie) et Frédéric Joliot-Curie en France, conduisent de 1930 à 1932 une série d’expériences qui amènent la découverte du neutron.

Hahn et Strassmann et Lise Meitner découvrent en 1938 la fission des atomes lourds sous l’action des neutrons.

Frédéric Joliot-Curie et collaborateurs au Collège de France en 1939 découvrent que la fission des noyaux d’uranium s’accompagne de l’émission de trois neutrons en moyenne, et imaginent le principe de la réaction en chaîne. Ils découvrent également que l’eau lourde (D2O) peut servir de modérateur. Ils déposent un premier brevet sur la production d’énergie nucléaire.

Seconde guerre mondiale : L’Allemagne a mis au point un réacteur, constitué de blocs d’uranium plongés dans un bac d’eau lourde. Pour éviter qu’Hitler ne développe les applications militaires de l’énergie nucléaire, l’équipe française fait acheter en Norvège tout le stock d’eau lourde disponible et le met à l’abri en Grande-Bretagne. C’est la « bataille de l’eau lourde ».

Etats-Unis en 1941 plusieurs physiciens dont Einstein, interviennent auprès du président Roosevelt et évoquent la possibilité de doter les Etats-Unis d’une arme nucléaire.
Le programme « Manhattan » est ainsi lancé.

Enrico Fermi, physicien italien naturalisé américain,démontre le premier la possibilité d’entretenir une réaction en chaîne. Il construit à l’Université de Chicago un réacteur constitué d’un empilement de cubes de graphite et de barres d’uranium. La « pile de Fermi » diverge le 2 décembre 1942 : la réaction en chaîne est entretenue pendant quelques minutes.

France, en 1945 est créé le Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), qui entreprend aussitôt la construction de plusieurs réacteurs d’essai. Le premier, la pile ZOE, diverge au Fort de Chatillon, dans la région parisienne, dès 1947.

Etats-Unis en 1951,  la première électricité d’origine nucléaire est produite. Le premier réacteur expérimental du monde « EBR 1 » est un réacteur à neutrons rapides : il entraîne un alternateur d’une puissance de 100 kW.

Union-Soviétique en 1954, est mis en service la première centrale nucléaire de puissance significative. Elle produit 5 MW, utilise comme combustible de l’uranium enrichi à 5% et comme modérateur du graphite. Ce réacteur est le précurseur de la filière RBMK.

France en1956 est mis en service à Marcoule le réacteur G1, premier réacteur français producteur d’électricité, d’une puissance de 40 MW. Deux autres réacteurs, G2 et G3, suivent en 1959 et 1960

Dans le Monde en 2014, le parc nucléaire mondial a fourni 2 410 TWh soit près de 10,8% de l’électricité produite dans le monde. La puissance installée est de 378 GW. Ce parc compte 437 réacteurs nucléaires en fonctionnement, répartis dans 30 pays.
Calcul du taux de charge : 378 GW pendant 1 an (soit 8 760 h) donnerait à 100% de charge ~3 310 TWh.
Taux de charge effectif : 2 410 / 3 310 = 73 % 

Le « Modèle Standard » au XXIème siècle »

Les théories et découvertes de milliers de physiciens au cours du siècle dernier ont permis une compréhension remarquable de la structure fondamentale de la matière.
L’Univers est fait de constituants de base appelés particules fondamentales et gouverné par quatre forces fondamentales.

Trois de ces forces sont d’origine nucléaire (électromagnétique, nucléaire forte et nucléaire faible), la quatrième est la gravitation. LeModèle Standard de la physique des particules élaboré au début des années 1970 nous aide le mieux à comprendre la façon dont les particules et trois des quatre forces de la nature sont reliées entre elles.

L’objectif des recherches actuelles est d’unifier les forces fondamentales du niveau atomique  avec la gravitation. Ces recherches conduisent à des expériences menées aussi bien à l’échelle des particules dans les grands accélérateurs qu’à l’échelle du Cosmos dans la détection des Trous Noirs et des Ondes gravitationnelles.

C’est le Modèle Standard décrit les particules qui constituent la matière visible de l’Univers les Fermions ainsi que les particules de rayonnement qui sont les porteurs des interactions fondamentales les Bosons.
Il décrit également les antiparticules associées. Une antiparticule possède la même masse que la particule correspondante, mais ses nombres quantiques sont opposés, en particulier la charge électrique.

Le 4 juillet 2012, au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC au CERN) les expériences ATLAS et CMS ont annoncé qu’elles avaient observé une nouvelle particule dont la masse se situait dans la région des 126 GeV.
Cette particule présente des caractéristiques compatibles avec celles du Boson de Higgs prédit par le Modèle standard.
Le Boson de Higgs donne sa masse à la matière . Il est la manifestation la plus simple du mécanisme de Brout-Englert-Higgs.
Le 8 octobre 2013, le prix Nobel de physique a été attribué conjointement à François Englert et Peter Higgs (Robert Brout est décédé en 2011)

Les particules élémentaires du modèle standard sont au nombre de 25 :

  • 12 bosons de spin 1 qui sont les particules de « rayonnement » et qui sont les vecteurs des différentes interactions
    • 8 gluons qui transmettent l’interaction forte,
    • Les W+ et W qui transmettent l’interaction faible,
    • Le Z0 qui transmet une forme de l’interaction faible provenant de l’interaction électrofaible,
    • Le photon qui transmet l’interaction électromagnétique
  • 12 fermions de spin 1/2 qui sont les particules de « matière », séparées en deux catégories
    • 6 quarks et leurs antiquarks, qui forment des particules composites : les hadrons,
    • 6 leptons et leurs antileptons .
  • 1 boson de spin 0, le H0 ou boson BEH (R. Brout, F. Englert et P. Higgs) qui a deux rôles :
    • mélanger les interactions faible et électromagnétique et donner une masse aux bosons W et Z0,
    • donner une masse aux fermions élémentaires par l’interaction BEH.

La Matière dans tous ses Etats

Les états « classiques » de la matière

Trois états classiques

Dans les conditions normales de température et de pression terrestres, la matière se présente sous trois états : solide, liquide et gazeux.
Le passage d’un état à l’autre correspond à une réorganisation des molécules ou des atomes dans la matière.
A l’état Solide la matière a une forme figée. Ses atomes sont fixes et proches.
A l’état Liquide la matière prend la forme du récipient qui la contient. Ses atomes sont plus espacés et bougent.
A l’état gazeux, la matière n’a pas de forme, elle remplit tout le récipient qui la contient. Ses atomes sont très espacés et bougent très vite dans toutes les directions.

Point Triple

Pour les états classiques, il existe un point de rencontre entre les trois états solide-liquide-gazeux, lorsque ceux-ci varient en fonction de la Température de la Pression et du Volume.
Quand la matière arrive à ce point, les trois états coexistent : c’est le Point Triple.
Pour l’eau, le point triple est à la température de 0,01°C et à la pression de 0,006 atmosphères
Dans ces conditions de température et de pression dans une enceinte fermée on verrait l’eau en train de bouillir avec des glaçons dedans et elle ne s’évaporerait pas complètement.
Généralement, le point triple est atteint à des pressions et températures assez basses.
Sur Terre, la pression atmosphérique au niveau de la mer à la température de 15°C est de 1013,25 hPa (1013,25 hPa  = 1 atmosphère) on n’observe pas l’eau à son point triple dans la nature.
En revanche, sur Mars la température (autour de 0°C) et la pression très faible sont telles que l’eau peut parfois s’y trouver à son point triple.

Point Critique

Vers les températures et les pressions très hautes on atteint un autre point : le Point Critique.
Quand la pression d’un gaz augmente, les molécules sont plus proches les unes des autres : la densité du gaz augmente avec la pression.
Quand on chauffe un liquide sa densité diminue : la température force les molécules à s’agiter plus vite et ils prennent plus d’espace
Il arrive un moment où à force de chauffer et d’augmenter la pression, la densité du liquide (qui baisse) et la densité du gaz (qui monte) s’égalisent : on a alors atteint le point critique.
Quand on atteint le point critique, les densités du liquide et du gaz étant égales, il n’y a plus de distinction entre les deux : on obtient une sorte de bouillie de gaz/liquide qui n’est ni l’un ni l’autre. On l’appelle fluide supercritique.
Pour l’eau, le point critique est à la température de 374°C et à la pression de 218 atmosphères
Pour l’or, le point critique se trouve à 6 977°C et 5 000 atm

Les transformations de la matière, transitions de phases

La matière peut se transformer et passer d’un état à un autre, ce sont les transitions de phases : Fusion, Solidification, Vaporisation, Liquéfaction, Condensation, Sublimation.
Le passage de l’état solide à l’état liquide s’appelle la Fusion
Le passage de l’état liquide à l’état gazeux s’appelle la Vaporisation.
Le passage de l’état gazeux à solide s’appelle la Condensation. C’est un changement d’état gaz vers solide (exemple : la vapeur d’eau présente naturellement dans l’atmosphère se transforme en glace au contact d’une surface froide en formant du givre)
Le passage de l’état solide à l’état gazeux sans passer par l’état liquide s’appelle la Sublimation

Les transitions de phases des éléments chimiques sont représentées dans un Diagramme de Phase
Ce diagramme est présenté en 2 dimensions Pression Température ou 3 dimensions en ajoutant un axe Volume.
Chaque élément chimique à un diagramme de phase qui le caractérise.

Diagramme de Phase P-T (2 dimensions)
Diagramme de Phase P-V-T (3 dimensions)

Les états « non classiques » de la matière

L’état Plasma

Dans l’Univers : C’est le quatrième état de la matière que l’on retrouve dans les étoiles, le milieu interstellaire, les nébuleuses, les quasars … Il constitue la majorité de notre univers visible autour de 99 %.

Le plasma est un gaz ionisé électriquement neutre composé d’ions positif (atomes ou molécules ayant perdu un ou plusieurs électrons) et d’électrons négatifs.
Suivant la température, les atomes peuvent être partiellement ou totalement ionisés (c’est à dire que le noyau est partiellement ou  totalement « épluché » de ses électrons). Un plasma peut donc être considéré comme un mélange d’ions chargés positivement et d’électrons chargés négativement, coexistant éventuellement avec des atomes et des molécules neutres.
Dans des conditions normales un milieu gazeux ne conduit pas l’électricité, mais, lorsque le gaz est chauffé à haute température ou soumis à un champ électrique de forte pression, une ionisation se produit, et le gaz devient un fluide (liquide ou gaz) très conducteur, le plasma.

Sur Terre, on ne rencontre pas le plasma à l’état naturel, si ce n’est dans les éclairs ou les aurores boréales. On le produit artificiellement en appliquant des champs électriques suffisamment puissants pour séparer le noyau de ses électrons dans les gaz.
Dans notre vie quotidienne, les plasmas ont de nombreuses applications (micro-électronique, écrans plats de nos téléviseurs …), dont la plus courante est le tube néon.

Le Condensat de Bose-Einstein

C’est l’apparition d’un état particulier d’un gaz quantique à très basse température. Prédit en 1924 par Albert Einstein suite à un travail du physicien indien Satyendranath Bose, il repose sur le principe selon lequel des bosons (particules de spin entier) peuvent occuper le même état quantique, contrairement aux fermions qui suivent le principe d’exclusion de Pauli.

Un boson est une particule de spin entier, il obéit à la statistique de Bose-Einstein (voir le diagramme des Particules Elémentaires). Les photons, les gluons, les W, le Z0 et le Higgs sont des bosons.

L’électron, par exemple, est un fermion, car son spin vaut 1/2. Le proton et le neutron également, car ils sont tous deux de spin 1/2. Lorsqu’on considère un atome, il faut compter le spin total de ses constituants pour savoir s’il se comporte comme un boson ou un fermion. Par exemple, le lithium 6 a un spin total demi-entier. C’est donc un fermion. Le lithium 7, qui comporte un neutron de plus, a un spin total entier : il se comporte comme un boson.
A une température proche du zéro absolu, un millionième de degré au-dessus du zéro absolu.
(0° Kelvin =  -273° Celcius), les bosons peuvent se trouver dans le même état quantique, formant ainsi un gaz quantique parfait, c’est ce phénomène qui est appelé condensation de Bose-Einstein.

Ce qu’Einstein a découvert, c’est que pour un gaz de bosons donné, il existe une température critique en dessous de laquelle un nombre macroscopique des particules quantiques peuplent l’état de moindre énergie, formant un « condensat de Bose-Einstein ». Dans cet état l’aspect ondulatoire de la matière devient visible à grande échelle.

La première observation de la condensation de Bose-Einstein d’un gaz atomique a eu lieu en 1995, suite au travail d’Eric Cornell et Carl Wieman qui refroidirent un gaz de rubidium à des températures inférieures à 170 nanokelvins. Cette expérience leur valut de partager le Prix Nobel de physique 2001 avec Wolfgang Ketterle.

Pour obtenir cet état de la matière, ce sont des millions d’atomes qu’on refroidit et qui, tout d’un coup, ne font plus qu’un. Ils sont tous au même endroit, « condensés » en un point, et ont tous la même énergie. En particulier, l’aspect ondulatoire de la matière devient visible à grande échelle.
Bref, toute une garnison d’atomes rigoureusement identiques, une armée de clones parfaitement synchronisés. Passé l’émoi de la découverte en 1995, et quand l’obtention du condensat est devenue affaire de routine, les physiciens ont commencé à s’intéresser de plus près aux applications. Et la première à laquelle ils ont pensé, c’est le laser à atomes.
L’idée, c’est qu’un condensat de Bose-Einstein ressemble beaucoup à l’intérieur d’un laser normal. Celui-ci contient des “particules de lumière”, les photons, tous identiques, qu’il envoie à l’extérieur.
C’est justement là son grand intérêt : l’uniformité des photons fait que l’énergie de la lumière que le laser émet a toujours la même valeur, connue très précisément. De la même façon, un condensat de Bose-Einstein pourrait délivrer un “rayon de matière”, constitué non plus de photons identiques mais d’atomes. Un laser comporte des particules de lumière, le condensat de Bose-Einstein délivrerait, lui, un “rayon de matière”.

D’autres applications sont envisagées pour améliorer la précision des horloges atomiques, celle des gyroscopes mais aussi dans l’objectif de développer un ordinateur quantique.

L’état Supercritique

Pour un fluide, il apparaît lorsqu’on soumet ce fluide à une forte pression / température et qu’il est comprimé au-delà de sa pression critique. Ce que l’on peut alors observer c’est que la matière se trouve alors entre l’état liquide et l’état gazeux : l’état Supercritique.

L’état Mésomorphe

C’est un intermédiaire entre l’état solide et l’état liquide (l’état Mésomorphe peut se décliner en trois sous-états) que nous avons tous un jour utilisé puisque les cristaux liquides sont un exemple de l’état Mésomorphe.

L’état Supersolide

Cet état est controversé, il n’est pas accepté par tous, car très difficile à obtenir, et donc à observer. Il s’obtiendrait en refroidissant la matière à l’extrême.

L’état Métastable, « Phénomène de Surfusion »

Le fluide est en état liquide alors que les conditions de température et de pression indiquent qu’il devrait être en état solide ou gazeux (suivant que le phénomène se produit à basse ou haute température). C’est un retard au changement d’état et une petite perturbation (appelée germe) suffit à provoquer extrêmement rapidement le changement d’état. Le phénomène se produit lorsque le fluide est très pur et sans agitation

  • On raconte que durant le siège de Stalingrad, par une nuit glaciale de l’hiver 1942 (température extérieure -30°C), une troupe de chevaux affolés fuyant un incendie se précipitèrent dans le lac Ladoga apparemment limpide et tranquille pour échapper aux flammes ; ils moururent tous instantanément, le lac se transforma brutalement en glace solide.
  • Hubert Reeves, dans L’heure de s’enivrer, écrit : « L’Univers, encore largement composé d’hydrogène en dessous du point de gel nucléaire, est l’analogie du lac Ladoga, toujours liquide, par cette froide nuit d’hiver 1942. Si la vague de froid était venue plus lentement, le lac aurait gelé et les chevaux auraient pu échapper à l’incendie et au tombeau de glace. Si l’expansion de l’Univers avait été plus lente, la matière cosmique se serait complètement transmutée en noyaux de fer. […] L’Univers serait bien différent et l’humanité n’y serait jamais apparue. Ce qui a couté la vie aux chevaux russes nous l’a donnée… »
  • La Chambre à Bulles est une enceinte contenant de l’hydrogène liquide surchauffé, à la limite de l’ébullition. La chambre a été soigneusement purgée de tout germe d’ébullition (poussières, bulles). Le liquide ne bout pas, malgré une température supérieure à la température d’ébullition (20,4 K). Lorsqu’une particule chargée se déplace dans un tel milieu, elle forme un noyau d’ébullition et produit, sur son trajet, en cédant localement de l’énergie, un chapelet de bulles, ce qui permet de visualiser sa trajectoire.
  • La chambre à bulles Gargamelle au CERN pesait 1 000 Tonnes et contenait 12 m3 Fréon (à la place de l’Hydrogène liquide) elle avait pour objectif de détecter indirectement les neutrinos. Elle était alimentée par un faisceau de neutrinos du Synchrotron à Proton (PS du CERN) puis du Super Synchrotron à Protons (SPS). Comme les neutrinos ne possèdent pas de charge, ils ne laissent aucune trace dans les détecteurs. Le fréon révélait toutes les particules chargées mises en mouvement par les neutrinos et mettait donc indirectement en évidence les interactions.
  • En 1973, Gargamelle présenta les premiers indices directs d’un courant neutre faible, qui exige la présence d’une particule neutre comme vecteur de la force faible, la particule en question est le boson Z qui avait été prédit par la théorie électrofaible selon laquelle la force faible et la force électromagnétique sont des versions différentes de la même force.

La matière noire

La matière qui nous entoure n’est pas la seule à intriguer les physiciens. En effet, selon les observations astronomiques, la matière constituée des particules du modèle standard ne représente que 5% de l’Univers. Il resterait donc encore 95 % de l’Univers à décrypter.
Parmi ces mystères, la matière noire, une matière théorique, totalement invisible, postulée pour expliquer par exemple les effets gravitationnels au sein des galaxies ou des amas de galaxies. Sans charge électrique et n’interagissant que très faiblement avec la matière normale, la matière noire se signale par son attraction gravitationnelle.

Dans les galaxies spirales

Les observations des courbes de révolution des étoiles autour du centre de leur galaxie montrent qu’elles tournent trop vite si l’on se base sur la loi de la gravitation de Newton ou sur la masse déduite de la luminosité des galaxies. Le plus probable est qu’il y ait de la matière cachée non lumineuse, de la matière noire.
Les galaxies tournent sur elles-mêmes. Les étoiles qui les composent sont soumises à deux forces à l’équilibre : la gravitation qui les attire vers le centre et la force centrifuge qui les repousse.
Plus la distance par rapport  au centre de la galaxie augmente, plus la gravitation faiblit ; la force centrifuge devrait aussi diminuer pour conserver l’équilibre afin que les étoiles restent dans la galaxie. Les chercheurs s’attendaient  à ce que les vitesses orbitales des étoiles externes décroissent (courbe bleue). Mais la courbe réellement observée se stabilise (en rouge).

Dans les amas de galaxies

L’ensemble de l’amas attire et retient chacune des galaxies. L’observation approfondie des amas montre qu’ils contiennent aussi une grande quantité de gaz. Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour estimer la masse de ces amas, et toutes les mesures s’accordent pour indiquer qu’elle est plus grande que celle des galaxies et du gaz réunis. Il semble que ces objets contiennent une grande quantité de masse sous une autre forme, la matière noire.
C’est dans les années 30 que Fritz Zwicky relève cette anomalie dans le mouvement des galaxies en observant un amas. Il imagine une masse manquante invisible qui agirait par gravitation pour garder tel quel l’amas. 

La traque de la matière noire constitue l’un des grands enjeux scientifiques fondamentaux de ce siècle, notamment pour vérifier la validité du modèle du Big Bang.