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Université de Genève, 23 octobre 2004 Le grand cercle: des particules au cosmos (et vice versa) G. Veneziano CERN/PH-TH & Collège de France.

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1 Université de Genève, 23 octobre 2004 Le grand cercle: des particules au cosmos (et vice versa) G. Veneziano CERN/PH-TH & Collège de France

2 Comment une ligne droite… Physique des particules, des accélérateurs: Voyage vers linfiniment petit Astronomie, Astrophysique, Cosmologie: Voyage vers linfiniment grand Grandes échelles Petites échelles 1cm cm cm..peut-elle devenir un cercle? (noyau datome)(dist. terre-soleil) Une ligne droite

3 en mathématiques, cest simple: par projection stéréographique (de S 1 à R 1 avec identification des infinis) A,a B C b c d D Point à linfini

4 …et en physique? ¶LUnivers, depuis 13,5 milliards dannées, est en phase dexpansion et de refroidissement. c ·La vitesse de la lumière, c, est finie. èPlus on regarde loin, plus on regarde vers le passé, et donc vers un Univers plus chaud; or, température élevée signifie haute énergie (E = k B T). ¸Les interactions entre particules à haute énergie dépendent de la physique de courte distance à cause du principe dincertitude de la mécanique quantique:

5 Grandes distances en cosmologie Passé lointain Univers chaud hautes énergies Petites distances en physique des particules DU COSMOS AUX PARTICULES

6 Grandes distances en cosmologie Passé lointain Hautes énergies hautes témperatures Petites distances en physique des particules DES PARTICULES AU COSMOS

7 Donc, en physique, cest la mêmes chose.. à une importante différence près: b et b (B et B) sont aussi liés. (S 1 => S 1 /Z 2 ) A,a B C b c d D B b 1cm cm cm (noyau datome)(dist. terre-soleil)

8 eV MeV GeV 100GeV keV TeV GUT Cordes DEC BBN QGP BGN INFL TEF ?? Planck Big Bang?Q-Gravité? Physique des particules Astro-cosmo-physique z température d énergie 3K BM DM GW CMB p m DE LHC LEP SPS ISR

9 Les connections sont nombreuses Physique des particules Astrophysique/cosmologie Physique atomique Physique nucléaire Interactions fortes Interactions électrofaibles Higgs, SUSY?..Le désert?? GUTs QCD+ ?? Physique de Planck/cordes Recombination e,p (A) BBN QGP Transition de phase électrofaible Baryogenèse, leptogenèse, Matière sombre, CMB UHECR Fond stochastique dOG Origine de lénergie sombre Trous noirs et MQ Singularités en GR

10 Quelques exemples

11 La matière sombre Des candidats « naturels » pour la matière sombre nous sont « offerts » par la physique des particules, car ils jouent déjà un rôle important dans cette dernière. Deux exemples: Laxion (lié à la résolution du problème CP), La LSP (liée à la supersymetrie).

12 Les fluctuations du CMB et la structure à grandes échelles La théorie la plus prometteuse de ces phénomènes, celle de linflation, fait appel à la théorie quantique des champs. En effet, la structure de lUnivers aux grandes échelles serait due à des fluctuations quantiques microscopiques amplifiées et étirées par lexpansion de lUnivers.

13 Le mystère de UHECR Un processus bien connu en physique des particules : donne une limite supérieure à lénergie dun proton qui nous parvient du fond du cosmos. Or, on observe que cette limite (dite de GKZ) nest pas respectée.

14 La vie moyenne du proton Elle serait determinée par la physique des particules aux échelles de lunification des 3 forces non gravitationnelles (GUTs).

15 La théorie des cordes et la gravité quantique La théorie classique de la gravitation, la relativité générale, prédit des singularités (centre dun trou noir, big bang). Près de ces singularités, on ne peut pas négliger la mécanique quantique: mais comment en tenir compte? La théorie quantique des champs est inapplicable à la gravitation dEinstein. En revanche, la théorie des cordes contient automatiquement sa version quantique de la relativité générale. Les théoriciens ont commencé dernièrement à appliquer cette théorie aux problèmes des trous noirs, de la singularité du Big Bang, et de lénergie sombre de lUnivers. Et que devient le grand cercle?

16 eV MeV GeV 100GeV keV TeV GUT DEC BBN QGP BGN INFL TEF Physique des particules Physique des cordes? Astro-cosmo-physique z température d énergie 3K BM DM GW CMB p m DE E>M P Univers avant le Big bang Limite QFT Limite GR

17 Un petit caveat: énergie entropie! Physique des particules Astrophysique/cosmologie Il est relativement facile daccélérer des particules et de concentrer beaucoup dénergie dans un petit nombre de degrés de liberté (disons une ou deux particules). Il est beaucoup plus difficile de distribuer cette énergie entre un grand nombre de degrés de liberté, c.-à-d. de la thermaliser. En astrophysique, lénergie est partagée entre un grand nombre de degrés de liberté (p.ex. à lintérieur dune grande étoile). En cosmologie, lénergie est partagée par tout lUnivers (ou par une partie qui contient notre Univers) et on sintéresse à T plutôt quà E.

18 Deux exemples Physique des particules Astrophysique/cosmologie Pour créer le QGP dans les collisions dions lourds, on a besoin de centaines de GeV. Les processus avec violation du nombre baryonique sont supprimés de façon exponentielle, même aux énergies du LHC (10 TeV) La transition hadrons-QGP devrait avoir lieu à T=T déconf. ~ 150 MeV Au-delà de la transition électrofaible (T ~ 100 GeV), de fortes violations du nombre baryonique sont induites par les « sphalérons »

19 En effet, cest une bonne chose… Physique des particules et astrophysique/cosmologie adressent les mêmes questions fondamentales sur les lois ultimes de la Nature. Mais elles ne sont pas un duplicata lune de l autre. La première est concernée par un intervalle assez limité dénergie, concentré dans un très petit nombre de degrés de liberté, et dans un environnement que nous pouvons contrôler et dupliquer. La deuxième couvre, en principe, un intervalle beaucoup plus vaste dénergie, mais elle est concernée par des systèmes très étendus, avec un nombre énorme de degrés de liberté, et dans un environnement que nous ne pouvons ni contrôler ni dupliquer.

20 Par conséquent : Physique des particules et astrophysique/cosmologie se complètent, à la fois au niveau expérimental, et à celui de la théorie (p.ex. la gravitation est beaucoup plus importante en AP/C quen PP). Aujourdhui, nous ne pouvons pas nous permettre le luxe dignorer des données quelle que soit la nature des expériences qui les ont produites (voir les oscillations des neutrinos). Je suis assez convaincu que la prochaine révolution en physique fondamentale viendra dun effort conjoint de ces deux communautés. Pour conclure:

21 Jespère que le grand cercle deviendra une ellipse de plus en plus etroite Astrophysique, cosmologie Physique des particules

22 Astrophysique, cosmologie Physique des particules

23 Astrophysique, cosmologie Physique des particules

24 Astrophysique, cosmologie Physique des particules


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