Petite visite guidée de l’infiniment petit et de l’infiniment grand Guy Wormser Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire d’ Orsay IN2P3/CNRS et Université Paris Sud

Déjà en 1938 !

Dans les classes de lycée,… Dans les lycées français, la seule décoration officielle est la bonne vieille table de Mendéléiev (1868)

Les quarks et les leptons Quarks : « Legos » élementaires de la matière Tout assemblage de trois quarks ou d’une paire « quark-antiquark » correspond à une particule existant dans la nature (stable ou instable) Leptons : particules élémentaires (ie sans structure interne et ponctuelles) qui ne sont pas sensibles à l’interaction forte

L’antimatière A chaque particule, correspond une antiparticule aux propriétés (quasi) identiques. La charge électrique d’une antiparticule est l’opposé de la particule correspondante. Lorsqu’une particule rencontre une antiparticule, elles s’annihilent et libèrent de l’énergie. Cette énergie donne souvent lieu à la création de plusieurs particules nouvelles. Une antiparticule est en quelque sorte l’image de sa particule dans un miroir. L’univers au moment de sa création contenait autant de particules que d’antiparticules. L’univers qui nous entoure n’est formé maintenant que de particules Les antiparticules sont formées dans les collisions entre particules dans le cosmos ou auprès d’accélérateurs.

Structures et énergie Les différentes formes d’organisation de la matière mettent en jeu des niveaux d’énergie très différents: Avec 1 eV (l’énergie communiquée à 1 électron par une pile de 1V sur 1 m), on peut arracher un électron périphérique à un atome – Chimie/Physique atomique/Lasers Avec 1000 eV (kV) on arrache un électron interne à un atome (rayons X) Avec eV (MeV) on peut arracher un neutron ou un proton à un noyau : physique nucléaire Avec eV (GeV) on peut arracher un quark à un proton/noyau : physique des particules Avec eV (TeV) on peut produire un boson de Higgs On comprend pourquoi la chimie ou la biologie est indifférente à l’existence d’une structure interne du proton et même du noyau

Les 4 interactions (ou forces) fondamentales Ces particules élémentaires sont soumis à 4 forces fondamentales (de la plus faible à la plus forte) La gravitation (attraction proportionnelle à la masse) L’interaction faible (désintégrations radioactives) La force électromagnétique (électricité, magnétisme) L’interaction forte (cohésion des noyaux)

Le ciment de l ’Univers Les quatre forces fondamentales Gravitation, Interaction forte, électromagnétique, faible Les messagers de ces forces Graviton, gluon, photon, W/Z 0 L ’unification de ces forces

Les « vecteurs » des forces Chaque interaction est véhiculée par une particule spéciale, vecteur de la force en question: Gravitation : graviton Interaction faible: W,Z Electromagnétisme: photon (la lumière!) Interaction forte : gluon C’est l’échange permanent de gluons entre les quarks à l’intérieur d’un proton qui donne au proton sa cohésion (et sa masse !)

L’unification des forces faibles et électromagnétiques Diffusion electron- proton->electron (electromagnétique) Diffusion electron- proton-> neutrino(force faible)

Le fonctionnement du soleil Les 4 forces fondamentales et les 4 particules de la première famille sont indispensables au fonctionnement du soleil Formation et allumage de l’étoile causée par la gravitation Réactions de fusion nucléaire dans le soleil avec l’interaction faible et forte Production de lumière par électromagnétisme

Les réactions de fusion nucléaire dans le soleil p+p->Deutérium+e+neutrino

Le Modèle Standard Superbe construction théorique, la plus complexe réalisée à ce jour Basé sur deux théories quantiques SU(2)xU(1) pour la force électro- faible et SU3 pour la force forte Possède un pouvoir prédictif très fort. Testé au LEP au pour mille près dans certaines prédictions clé! Ne peut pas être la solution définitive: forces faible et forte non unifiées, trop de paramètres libres, problèmes théoriques sérieux Quelle est la bonne théorie qui l ’englobe? Trois secteurs clés: Le boson de Higgs La violation de CP la recherche de nouvelles particules

Les succès du modèle standard Décrit très précisement les interactions des constituants et des vecteurs de force, ainsi que des vecteurs de force entre eux Rôle fondamental du LEP Prédit les propriétés du boson de Higgs et en particulier sa masse Il y a OBLIGATOIREMENT un boson de Higgs (ou quelque chose qui joue ce rôle) dans le domaine d’energie du LHC !

Les failles du modèle standard Pourquoi exactement trois familles de particules de matière avec une telle différence entre les familles ? L’asymétrie matière –antimatière telle qu’observée actuellement ne peut exister qu’avec au minimum trois familles de quarks! Unification des forces forte et électro-faible Unification avec la gravitation Brisure de la symétrie électro-faible (Trop) Nombreux paramètres Réglages beaucoup trop fins Pas de possibilité de décrire la matière noire Masse non nulle des neutrinos Le LHC va très probablement fournir les éléments clé de l’au-delà du Modèle Standard

Le boson de Higgs Véritable clé de voûte du modèle Standard : Associé à la brisure spontanée de la symétrie électro-faible Particule scalaire associée à un champ scalaire : remplit l’espace de facon homogene et isotrope Donne une masse aux particules élémentaires Ceci relie le boson de Higgs à la gravitation et à la constante cosmologique (énergie du vide )

Petite digression sur la masse La masse d’un objet est en fait une notion très complexe puisque le même terme regroupe quatre aspects a priori complètement différents : « Charge » de l’interaction gravitationnelle Résistance au mouvement (masse inertielle) Couplage au boson de Higgs Energie disponible dans une particule m=E/c 2 Cela signifie donc un lien très fort entre ces différents domaines. La relativité générale d’Einstein établit le lien entre les 2 premières notions (principe d’équivalence) Le lien entre le boson de Higgs et la gravité est encore totalement inconnu

La nucléosynthèse primordiale Un des piliers expérimentaux du modèle du Big Bang L’abondance relative d’Helium4, de Deutérium, He3 en très bon accord avec les prédictions

Le fond diffus cosmologique Mesure très précise du fond diffus cosmologique par le satellite WMAP Une mesure encore plus précise est attendue par le satellite Planck début 2013 Carte des fluctuations de température des photons diffus

Le modèle de concordance Remarquable accord entre différentes observables sur la structure et l’évolution de l’Univers : Plat 72% Energie noire 23% matière noire

Conclusion Le monde de l’infiniment petit et de l’infiniment grand sont très intimement connectés La connaissance détaillée des particules élémentaires et des interactions fondamentales a permis la construction d’un magnifique modèle théorique, le Modèle Standard qui décrit toutes les expériences réalisées à ce jour. Cette connaissance de l’infiniment petit et les observations (relatives à l’expansion de l’Univers, au fond cosmologique diffus et à la nucléosynthèse primordiale) permettent de reconstruire l’histoire de l’Univers du Big Bang à nos jours et sa géométrie! Il reste (heureusement) quelques mystères à explorer, concernant les symétries, l’unification des forces, la nature de la matière noire et de l’énergie noire, … De quoi bien remplir de futures « Nuit des 2 Infinis » !