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Biographie dun grand cuisinier datomes: lUnivers Joseph Remillieux Professeur émérite, Université Claude Bernard Lyon1 Institut de Physique Nucléaire de.

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1 Biographie dun grand cuisinier datomes: lUnivers Joseph Remillieux Professeur émérite, Université Claude Bernard Lyon1 Institut de Physique Nucléaire de Lyon Communication à lAcadémie des Sciences, Belles-Lettres et Arts de Lyon Palais Saint-Jean, le 12 mars

2 Bibliographie après avoir consulté: Genesis, De rerum natura Μαθηματική σύνταξις (Almageste) jai choisi dutiliser une œuvre récente Universa Descriptio Le Modèle Standard 2

3 Acte de naissance du Cuisinier Il est né sous X – il y a 13,7 milliards dannées, en un lieu indéfini – de parents inconnus des dieux ou dun Dieu, du Vide Quantique … ou de lui-même? – il a sans doute des frères et sœurs ? au sein de la famille des Multivers Il fut accouché – par une fluctuation quantique – qui laida à franchir le « mur de Planck » en moins de seconde ! – et à expérimenter la « Grande Unification » de toutes les forces de la Nature … pendant seconde 3

4 La légende de ses premiers cris et de sa première recette Sous leffet dune fièvre extrême (10 19 GeV) cet enfant prodige aurait eu une croissance explosive – on parla dune « grande inflation » On prétend aussi quen moins de seconde il réussit sa première recette, la soupe primordiale – à partir dingrédients de matière et dantimatière: quarks, gluons, photons, électrons, neutrinos … et une pincée de « matière noire », encore non-identifiée – température de dégustation conseillée: – quelques centaines de milliards de degrés 4

5 Dans sa réserve, il navait alors en rayon que 6 quarks, 6 leptons, 6 bosons … et leurs antiparticules ! 126 GeV ? 5

6 Le secret de sa soupe primordiale Ce bouillon était de constitution éphémère – car toute particule rencontrant son antiparticule disparaissait immédiatement dans un flash de lumière le talent de notre jeune Chef – fut alors de réussir à sauvegarder un résidu de matière après que toute lantimatière ait été annihilée 6

7 Soupe primordiale de quarks et de gluons Soupe primordiale de quarks et de gluons 7

8 Pour les marmitons, une seule unité ! A partir des trois relations: E = ½ kT – Boltzmann 1873 E = hν – Planck 1900 E = c 2 m – Einstein 1905 Le Chef demanda à ses marmitons de tout exprimer en unité dénergie: lélectron-Volt (eV) 8

9 Masses et Températures en eV Masses des particules 1 eV masse (maximum) des neutrinos 1 MeV masse de 2 électrons 4 et 7 MeV masse des quarks up et down 1 GeV masse des protons et neutrons 126 GeV = masse du boson de Higgs ? Températures de lUnivers 1 meV 3°K (- 270°C), température actuelle du Cosmos 1 eV 3 000°K, température à 380 OOO ans 1 MeV température 1 seconde après le Big-Bang 1 GeV température 10 ns après le Big-Bang 9

10 Une seconde plus tard: sa seconde recette la soupe sétant brutalement refroidie – de GeV à 1 MeV ! il appliqua les recettes de la Chromo - Dynamique - Quantique pour condenser quarks et gluons – en nucléons: protons et neutrons (instables) 10

11 Recettes de cuisine « hadronique » 11

12 Plasma hadronique de nucléons Protons et Neutrons aux trois saveurs de neutrinos Plasma hadronique de nucléons Protons et Neutrons aux trois saveurs de neutrinos 12

13 Aussitôt, sa troisième recette: la fusion primordiale Echec de sa première tentative – sa soupe de protons étant encore très chaude, il tenta de produire des diprotons par fusion thermonucléaire – mais la morale quantique lui rappela que cette union était interdite car elle violait le principe dexclusion de Pauli Il lui fallut alors attendre … longtemps – la transformation spontanée de protons en neutrons par radioactivité β p -> n + e + + ν Il put alors synthétiser des deutons – puis réussir la fusion (p,d) en 3 He – puis la fusion ( 3 He, 3 He) en 4 He 13

14 Nucléosynthèse primordiale de lhélium 14

15 15 la très chaude fusion de deux noyaux cm EpEp r Fusion chaude Fusion froide par effet tunnel Température Z1Z1 Z2Z2 r

16 Bilan de cette recette primordiale Au bout de 200 secondes: arrêt de la fusion car la soupe est trop froide – pour que la barrière puisse être franchie Ce brouet tiède, est un plasma de noyaux et délectrons, essentiellement composé de – 75% de noyaux dhydrogène – 25% de noyaux dhélium … cest la composition actuelle du Cosmos ! 16

17 Délice nucléaire primordial dhydrogène et dhélium avec ses effluves de deutérium, lithium et béryllium Délice nucléaire primordial dhydrogène et dhélium avec ses effluves de deutérium, lithium et béryllium 17

18 Sa quatrième recette « atomique » … en un éclair de génie Le Chef prit alors ans de repos ! – en attendant que son plasma refroidisse à 3 000°K les noyaux capturèrent alors tous les électrons disponibles pour former des atomes dhydrogène et dhélium – selon les recettes de lElectro – Dynamique - Quantique De ce gaz sans électrons libres, les photons purent soudainement séchapper – le sombre brouet du Chef émit alors un flash de lumière à °K – cet éclair de génie fit passer le jeune Chef de lombre à la lumière Son flash est encore visible aujourdhui à 3°K … car le Cosmos est en expansion ! 18

19 Eclair du fond diffus cosmologique sur son gaz atomique dhydrogène et dhélium Eclair du fond diffus cosmologique sur son gaz atomique dhydrogène et dhélium 19

20 Le refroidissement éternel évité à quelques « catons » près Après cet éclair de génie, le Chef aurait pu assister au refroidissement éternel de son gaz primordial … Mais il exploita habilement quelques fluctuations quantiques – quil avait mijotées en touillant sa soupe primordiale – les « catons » (grumeaux) devinrent par gravité des lieux deffondrements très denses et très chauds atteignant de nouveau les températures de la fusion nucléaire La froide cuisine devint une pouponnière détoiles A lâge de 400 millions dannées, le Chef venait dobtenir sa première Lespérance de vie et le destin, plus ou moins dramatique, de ces étoiles va désormais dépendre de leur masse 20

21 Recette pour la création dune étoile 21 Salvador Dali

22 La Cuisine se peupla d une batterie de chaudrons stellaires … aux destins divers 22

23 Recette pour la cuisson dun noyau de Z protons et N neutrons Pour les noyaux légers, il faut N = Z Pour les noyaux lourds, il faut N > Z Le nombre maximum disotopes possibles – est limité ( modèle de la goutte liquide ) La structure quantique en couches de nucléons – prévoit lexistence de noyaux magiques très stables En fait, les noyaux créés par nucléosynthèse – sont le plus souvent instables – mais ils peuvent être stabilisés par radioactivité 23

24 Les thérapies radioactives du Chef Si le noyau souffre dun excès de protons – prescription: radioactivité β + p -> n + e + + ν e Sil souffre dun excès de neutrons – prescription: radioactivité β - n -> p + e - + anti-ν e Sil souffre dun excès de poids – prescription légère: radioactivité α (noyau 4 He) – dans les cas les plus graves, envisager la fission nucléaire Durées des traitements (durées de vie) – de la microseconde au milliard dannées ! Polythérapie réservée aux noyaux les plus exotiques: – une cascade de désintégrations radioactives pour les aider à rejoindre la « Vallée de Stabilité » 24

25 Le Nirvana des noyaux: le fond de la Vallée de Stabilité noyaux sont stables 7000 sont possibles (radioactifs) - dont 2500 déjà identifiés

26 2H2H 1H1H 3 He 4 He 6 He 808 ms 8 He 119 ms 6 Li 7 Li 8 Li 840 ms 9 Li 179 ms 11 Li 8.5 ms 7 Be 9 Be 10 Be y 11 Be 13.8 s 12 Be 23.6 ms 14 Be 4.35 ms 10 B 11 B 12 B ms 13 B ms 14 B 13.8 ms 15 B 10.4 ms 8 B 770 ms n m 3 H y 9 C 125 ms 10 B 19.3 s 11 C 20.4 m 12 C 13 C 14 C 5730 y 15 C 2.45 s 16 C s 17 C 193 ms 12 N 20.4 m 13 N 20.4 m 14 N 15 N 16 O 17 O 18 O 19 F 13 O 8.58 ms 14 O 70.6 s 15 O 2.03 m 17 F 64.8 s 18 F m 16 N 7.13 s 17 N 4.17 s 18 N 0.63 s 19 O 27.1 s 20 F 11 s Noyaux: - Stables - Riches en protons - Riches en neutrons N Z 26

27 Un rêve: atteindre lilôt des noyaux super lourds Dr. Andrey G. Popeko 27

28 La « Table des Eléments » du cuisinier chimiste 28

29 La course vers lilôt de stabilité ZNom de baptême 105Dubnium Db 106Seaborgium Sg 107Bohrium Bh 108Hassium Hs 109Meitnerium Mt 110Darmstadtium Ds 111Roentgenium Rg 112Copernicium Cn 113Ununtrium (Uut) 114Ununquadium (Uuq) 115Ununpentium (Uup) 116Ununhexium (Uuh) 117Ununseptium (Uus) 118Ununoctium (Uu0) 2012, Japonium ? Baptême le 7 sept 1992 à Darmstadt 29

30 Lart de la fusion des noyaux à feu doux, en cœur détoile Dès que la température atteint 10 millions de degrés – la fusion de lhydrogène samorce létoile devient lumineuse atteint un équilibre mécanique entre – les forces de gravité et la pression de radiation le combustible hydrogène est lentement transformé en hélium par le cycle primordial pp 30

31 Pour les grosses étoiles, le Chef invente une recette catalytique Si létoile contient déjà des noyaux légers – la fusion « catalytique » permet de cuisiner lhélium, selon le cycle CNO Combustible: 4 protons Cendre: 1 noyau d hélium 31

32 Lart dutiliser les restes la fusion des cendres En panne de combustible hydrogène – létoile seffondre, et séchauffe: 100 millions de degrés – la fusion des cendres (noyaux dhélium) samorce et produit des noyaux de Béryllium, puis de Carbone et dOxygène Lorsque toutes ces cendres sont brûlées – et après effondrement, il fait 1 milliard de degrés la fusion samorce entre noyaux de Carbone puis de Néon et dOxygène Le dernier effondrement est pathétique Il fait 3 milliards de degrés, la fusion du Silicium est possible tous les éléments sont alors produits, jusquau Fer mais létoile est en fin de vie, car elle ne peut plus rien fusionner sans apport dénergie 32

33 33 En fin de cuisson (fusion): loignon du Chef

34 Salade datomes semi- légers Grand choix parmi 56 éléments jusquau Fer Préparés par fusion douce en cœur détoiles Salade datomes semi- légers Grand choix parmi 56 éléments jusquau Fer Préparés par fusion douce en cœur détoiles 34

35 Que faire après le Fer ? De la cuisine exotique ! Le Chef doit abandonner ses recettes fusionnelles – car au delà du Fer la fusion consommerait de lénergie ! Pour cuisiner des éléments plus lourds que le Fer – Il faudra dautres chaudrons pour mettre en jeu des recettes plus chaudes, plus complexes, parfois même explosives entre noyaux plus ou moins exotiques 35

36 Quel avenir pour ces « géantes rouges » ? 36

37 Deux fins de vie sont possibles Pour les plus petits chaudrons (ex. notre Soleil) – Cest une retraite astrale modeste et paisible après une très longue vie active, ils seffondrent en étoiles naines Pour les plus gros chaudrons – après une courte période dactivité « normale » – ils amorcent une seconde vie, éphémère et super-active sous forme de Novae très lumineuses ou de Super Novae explosives, dont les résidus seront des Etoiles à Neutrons ou des Trous Noirs Cest dans ces chaudrons explosifs que le Chef va réussir à cuisiner les atomes les plus lourds 37

38 La suractivité nucléaire des Novae Privée dénergie de fusion, la géante rouge seffondre – en son cœur implosé, la densité atteint celle des noyaux ! Une multitude de nouveaux isotopes lourds sont alors créés – par captures rapides de neutrons (processus R) ou de protons ( processus RP) Lénergie nucléaire dégagée est telle que – le chaudron devient une supernova qui explose – durant cette explosion une multitude de fusions et de fissions achève la synthèse des noyaux très lourds, du Plomb à lUranium londe de choc de lexplosion inonde de noyaux lourds toute la cuisine Le Chef na plus quà collecter ces fumets lourds autour du chaudron explosé 38

39 39 Nombre de neutrons Nombre de protons Capture rapide de neutrons

40 Quadvient-il des cendres du chaudron-supernova explosé ? Les cendres résiduelles sont de densité extrême soit leur masse est suffisante pour « percer lespace-temps » – le chaudron devient alors un trou noir « noir », car même la lumière ne parvient pas à en sortir soit leur masse nest pas suffisante – une étoile à neutrons apparaît alors cest un petit chaudron des plus étranges où coexistent noyaux et particules élémentaires (quarks) la croûte de ces étoiles est si riche en noyaux lourds … … que certains suspectent le Chef dattendre une collision entre ces objets, pour en récupérer quelques débris 40

41 Croûte et cœur dune étoile à neutrons 41

42 Au coeur des étoiles à neutrons: retour vers la soupe du Big Bang ! 42

43 Le Chef sexerce aux recettes de la Chimie Interstellaire Disposant de plus de 3000 isotopes, il sessaya à la cuisine moléculaire – dans les nuages denses interstellaires – et à la surface des grains de poussières Il synthétisa dabord des molécules simples – diatomiques, puis composées dune dizaine datomes – inorganiques, puis organiques Il mit alors à sa carte, plus de 160 molécules dont les fameuses briques pré biotiques 43

44 44

45 Soupe primordiale Grillade datomes légers sur lit de fusion douce Pavé de Fer extrait du fond de la Vallée de Stabilité Ile flottante déléments super-lourds sur leur Mer dInstabilité saupoudrée dextraits de croûte détoile à neutrons Liqueur de molécules pré biotiques Soupe primordiale Grillade datomes légers sur lit de fusion douce Pavé de Fer extrait du fond de la Vallée de Stabilité Ile flottante déléments super-lourds sur leur Mer dInstabilité saupoudrée dextraits de croûte détoile à neutrons Liqueur de molécules pré biotiques Menu récent: datant denviron 4 Milliards dannées Découvert tout près de chez nous: sur la Voie Lactée 45

46 Lénigme de la recette cachée Cette biographie na pas permis de percer le mystère de la recette de la Matière Noire – que le Chef cache depuis plus de 13 Milliards dannées Ni dailleurs celui de lEnergie Noire – qui depuis 6 Md dannées accélère lexpansion du Cosmos Ces cachoteries sont humiliantes pour les physiciens – car elles portent sur plus de 95% de la matière/énergie il est permis de penser que les mystères du Chef vont être dévoilés … incessamment sous peu ? 46

47 Au menu des chercheurs: la savoureuse part cachée du camembert 47

48 Merci et bonne digestion 48

49 … cest ce qui ce passe actuellement dans notre Soleil 49

50 50 Le Soleil … vu par les neutrinos quil émet Noyau: R~ km, T~ °C


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