La Naissance de la Matière

Transcription

1 La Naissance de la Matière Conçue par les particules élémentaires Département de Physique, Université de Genève, le 3 mai 2005 John Ellis

2 L univers jusqu à aujourd hui temps espace

3 La loi d expansion de Hubble La lumière qui nous arrive des galaxies lointaines est plus rouge L effet est proportionnel à la distance L effet est dû à l expansion des ondes de la lumière pendant l expansion de l univers Vitesse de séparation: ~ 70 km/seconde/million d années lumière Les objets les plus éloignés: ~ 10,000,000,000 d années lumière La même physique que chez nous!

4 L expansion de l univers Hubble, le basketteur Selon Hubble é Données récentes obtenues avec le télescope Hubble

5 L univers est dans un état d expansion Les galaxies s'éloignent de nous l expansion découverte par Hubble L univers était une fois 3000 fois plus petit et plus chaud qu aujourd hui le fond de radiation micro-onde cosmique

6 Le fond de radiation micro-onde cosmique Découvert par Penzias et Wilson, 1965

7 Le fond de radiation micro-onde cosmique Nous baignons dans une radiation micro-onde à une température de 3 degrés au-dessus du zéro absolu Presque la même dans toutes les directions nous bougeons à une vitesse relative de 700 km/seconde Il y a des petites fluctuations dans ce fond de radiation 1 sur 100,000 Qui auraient leur origine dans le très jeune univers à un âge de 0.000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000, 001 secondes?

8 Le fond de radiation micro-onde cosmique Presque identique dans toutes les directions Petites variations découvertes par le satellite COBE

9 L univers est dans un état d expansion Les galaxies s'éloignent de nous l expansion découverte par Hubble L univers était une fois 3000 fois plus petit et plus chaud qu aujourd hui, pour fabriquer le fond de radiation micro-onde cosmique L univers était une fois 1,000,000,000 fois plus petit et plus chaud qu aujourd hui les éléments ont été fabriqués lors du Big Bang

10 La nucléosynthèse cosmologique L univers contient à peu près 24% d hélium 4 et moins de deutérium, hélium 3, lithium 7 Ils n ont pu être fabriqués que par des réactions nucléaires dans le jeune univers lorsque l univers était une fois 1,000,000,000 fois plus petit, plus chaud qu aujourd hui Les proportions dépendent de la quantité de la matière dans l univers pas suffisante pour arrêter l expansion, fabriquer les galaxies Les proportions dépendent aussi du nombre de types de particules nombre mesuré aux accélérateurs

11 Les proportions des éléments légers hélium accord avec les données Les calculs théoriques lithium Pas assez de matière normale pour arrêter l expansion de l univers

12 Le très jeune univers Taille: a zéro Age: t zéro Température: T élevée T ~ 1/a, t ~ 1/T 2 Energies: E ~ T Ordres de grandeur: t ~ 1 seconde T ~ 10,000,000,000 degrés E ~ 1 MeV ~ masse de l électron Il faut utiliser la physique des particules pour décrire le très jeune univers

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14 Des rayons cosmiques jusqu au CERN Découverts il y a un siècle les rayons - cosmiques produisent divers types de particules élémentaires Le CERN a été fondé en 1954 pour étudier ces particules

15 A l intérieur de la matière qui est fabriqué de protons Les atomes contiennent électrons qui orbitent autour d un noyau et neutrons qui sont fabriqués de quarks Toute la matière est fabriquée des mêmes constituants Qu est-ce qu ils sont? Quelles sont leurs interactions?

16 Le Modèle Standard de la physique des particules Proposé par Abdus Salam, Glashow et Weinberg Testé par les expériences au CERN En parfait accord avec les expériences dans tous les laboratoires Mesure du nombre des types de particules

17 Le Modèle Standard Particules de la Matière Interactions fondamentales Gravitation électromagnétisme force nucléaire faible force nucléaire forte

18 300,000 années 3 minutes 1 microseconde 4 picosecondes Formation des atomes Formation des noyaux Formation des protons et neutrons La soupe primordiale

19 Les grandes questions ouvertes L origine de l univers? question remise à un autre conférencier! Comment fabriquer la matière dans l univers? 1,000,000,000 fois plus de photons que de protons Comment fabriquer les structures dans l univers? fluctuations primordiales et matière cachée? Comment fabriquer la matière cachée? Seul la physique des particules est en mesure de répondre à ces questions

20 Une bizarre recette pour un univers Matière cachée énergie cachée Le Modèle Standard de l univers indiqué par l astrophysique et la cosmologie

21 Le budget de la densité de l univers La densité totale ~ critique la théorie de l inflation, les mesures du fond micro-onde: Ω Tot = ~ 1 La densité des baryons est petite la nucléosynthèse primordiale, le fond micro-onde: Ω Baryons ~ quelques %

22 Le fond de radiation micro-onde cosmique selon COBE selon WMAP - à une seule fréquence

23 Le fond micro-onde selon WMAP La combinaison de diverses fréquences

24 Le spectre de fluctuations dans le fond micro-onde Le premier pic dépend de Ω Tot Les tailles relatives dépendent de Ω b

25 Les contraintes imposées par WMAP L énergie cachée ~ 0.7 L énergie cachée La densité totale ~ valeur critique La densité de la matière ~ 0.3 La matière

26 Les proportions des éléments légers hélium accord avec les données Les calculs théoriques lithium - D où vient la matière? - Pourquoi pas d antimatière? Pas assez de matière normale pour arrêter l expansion de l univers

27 Comment diffèrent la matière et l antimatière? Dirac a prédit l existence de l antimatière: même masse propriétés internes opposées: charge électrique, Découverte parmi les rayons cosmiques Etudiée avec les accélérateurs Mais la matière et l antimatière ne sont pas égales et opposées: POURQUOI? Pourquoi est-ce que l univers contient la matière et non l antimatière? Les expériences au CERN et ailleurs recherchent des réponses

28 Comment fabriquer la matière dans l univers Sakharov Il faut une différence entre la matière et l antimatière observée dans le laboratoire Il faut des interactions capables de créer la matière présentes dans les théories unifiées pas encore mises en évidence Il faut casser l équilibre thermique possible lors des désintégrations de particules lourdes Calculs basés sur les mesures dans le laboratoire?

29 Le budget de la densité de l univers La densité totale ~ critique la théorie de l inflation, les mesures du fond micro-onde: Ω Tot = ~ 1 La densité des baryons est petite la nucléosynthèse primordiale, le fond micro-onde: Ω Baryons ~ quelques % La densité totale de la matière est nettement plus grande WMAP et al indiquent que: Ω Matière ~ 25 % La plupart est la matière froide cachée pour fabriquer les structures de l univers

30 Les structures observées dans l univers distance Uniforme à la plus grande échelle Galaxies Amas

31 Comment fabriquer les structures de l univers Leurs origines sont dans les fluctuations dans la radiation micro-onde Elles ont besoin d amplification Possible avec l aide de particules lourdes Les neutrinos légers s échappent des petites structures pas appropriés A préférer des particules non relativistes: la matière froide cachée

32 Les neutrinos auraient une petite densité Ω ν =0.01 Ω ν =0 Ω ν =0.05 2dF team: astro-ph/ Données sur les structures cosmologiques

33 Selon WMAP Les neutrinos ne pèsent pas beaucoup Ω ν h 2 < m ν < 0.23 ev

34 A quoi servent les neutrinos? Leurs masses sont petites mais non nulles moins de 10% de la matière cachée? S échapperaient des galaxies à des vitesses relativistes Est-ce qu il y a aussi des neutrinos plus lourds? sans doute instables auraient pu fabriquer la matière à la Sakharov? Il faut des particules de matière cachée qui sont lourdes et stables particules supersymétriques?

35 Le budget de la densité de l univers La densité totale ~ critique la théorie de l inflation, les mesures du fond micro-onde: Ω Tot = ~ 1 La densité des baryons est petite la nucléosynthèse primordiale, le fond micro-onde: Ω Baryons ~ quelques % La densité totale de la matière est nettement plus grande Ω Matière ~ 25 % La plupart est la matière froide cachée

36 La formation des structures dans l univers La formation des structures dans l univers Avec l aide de la matière froide cachée 5 Gyr today 100 Myr 1 Gyr

37 La distribution de la matière Entre les galaxies Dans le halo d une galaxie

38 Les structures de l univers comparées avec le Modèle Standard univers plat: Ω Tot = 1, matière froide cachée: Ω CDM ~ 0.25, peu de baryons: Ω b ~ 0.05, énergie cachée: Ω Λ ~ 0.7

39 La matière cachée supersymétrique? La supersymétrie lierait les particules de la matière particules porteuses des interactions Pourrait expliquer l échelle des masses des particules La particule supersymétrique la plus légère serait stable? devrait peser moins de 1000 GeV D après nos calculs, aurait une densité similaire à celle de la matière cachée A rechercher dans le laboratoire

40 La matière cachée dans l univers Les astronomes nous disent que Astronomers tell us la that plupart most de of the la matter matière in the dans universe l univers is est invisible invisible Particules Dark Matter supersymétriques? We will look for it Nous les rechercherons with the avec LHC le LHC

41 La recherche de la matière cachée supersymétrique Des annihilations dans le halo galactique χ χ antiprotons, positons,? Des annihilations au centre de notre galaxie χ χ γ+? Des annihilations au centre du Soleil χ χ ν+ µ+ Diffusion sur un noyau dans le laboratoire χ + A χ+ A

42 Diffusion sur un noyau dans le laboratoire Particule supersymétrique Matériel ultra pur

43 Le projet LHC au CERN Collisionneur Proton-Proton 7 TeV + 7 TeV Luminosité = cm -2 s -1 Objectifs scientifiques: L origine de la masse La matière cachée Le plasma primordial Matière vs antimatière 1 TeV = 1000 GeV ~ 1000 fois la masse du proton

44 La recherche de la supersymétrie au LHC Simulation par ordinateur de la production d une paire de particules supersymétriques au LHC Le LHC pourra explorer la plupart des possibilités pour la matière cachée supersymétrique

45 Les supernovae et l énergie cachée Explosions lointaines qui mesurent la géométrie de l univers L expansion poussée par l énergie cachée dans le vide? Elles indiquent que l expansion de l univers s accélère La plus grande erreur d Einstein devient sa plus grande réussite?

46 Comment fabriquer l énergie cachée? Trop facile! Toutes nos théories prédisent une énergie dans le vide beaucoup grande que la valeur observée Il faudra sans doute une nouvelle physique! Modifier la relativité générale d Einstein? Eventuellement, la théorie des cordes, mais nous ne sommes pas encore là

47 La symbiose de l astrophysique avec la physique des particules Le contenu de l univers: la matière cachée l énergie cachée l origine de la matière L évolution de l univers: la création des éléments légers la formation des galaxies La physique des particules a donné naissance à notre univers L univers pourra nous apprendre la physique des particules

48 Les supernovae sont des chandelles standard Elles mesurent la géométrie, et elles indiquent que l univers accélère maintenant, après avoir décéléré auparavant Riess et al, Perlmutter et al

49 Les supernovae préfèrent: Grande densité totale Petite densité de la matière densité de l énergie cachée ~ constante Riess et al, Perlmutter et al

50 Vue générale du LHC et de ses expériences 100 m de profondeur 27 km de circonférence

51 L expérience ATLAS Diameter Barrel toroid length End-cap end-wall chamber span Overall weight 25 m 26 m 46 m 7000 Tons