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

Comment une ligne droite… ..peut-elle devenir un cercle? Physique des particules, des accélérateurs: Voyage vers l’infiniment petit Astronomie, Astrophysique, Cosmologie: Voyage vers l’infiniment grand Petites échelles Grandes échelles 10-32 1028 10-13 cm 1cm 1013cm (noyau d’atome) (dist. terre-soleil) Une ligne droite

en mathématiques, c’est simple: par projection stéréographique (de S1 à R1 avec identification des infinis) Point à l’infini d c D b A,a C B

…et en physique? L’Univers, depuis 13,5 milliards d’années, est en phase d’expansion et de refroidissement. La vitesse de la lumière, c, est finie. Plus on regarde loin, plus on regarde vers le passé, et donc vers un Univers plus chaud; or, température élevée signifie haute énergie (E = kBT). Les interactions entre particules à haute énergie dépendent de la physique de courte distance à cause du principe d’incertitude de la mécanique quantique:

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

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

Donc, en physique, c’est la mêmes chose Donc, en physique, c’est la mêmes chose.. à une importante différence près: b et b’ (B et B’) sont aussi liés. (S1 => S1/Z2) d c D b’ b C A,a B’ B 10-32 1028 10-13 cm 1cm 1013cm (noyau d’atome) (dist. terre-soleil)

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

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 d’OG Origine de l’énergie sombre Trous noirs et MQ Singularités en GR

Quelques exemples

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: L’axion (lié à la résolution du problème CP), La LSP (liée à la supersymetrie).

Les fluctuations du CMB et la structure à grandes échelles La théorie la plus prometteuse de ces phénomènes, celle de l’inflation, fait appel à la théorie quantique des champs. En effet, la structure de l’Univers aux grandes échelles serait due à des fluctuations quantiques microscopiques amplifiées et étirées par l’expansion de l’Univers.

Le mystère de UHECR Un processus bien connu en physique des particules : donne une limite supérieure à l’énergie d’un proton qui nous parvient du fond du cosmos. Or, on observe que cette limite (dite de GKZ) n’est pas respectée.

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

La théorie des cordes et la gravité quantique La théorie classique de la gravitation, la relativité générale, prédit des singularités (centre d’un 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 d’Einstein. 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 l’énergie sombre de l’Univers. Et que devient le grand cercle?

Collisions @ E>MP Physique des cordes? Univers avant le Big bang Limite QFT DE GW Limite GR GUT INFL mn ,tp TeV BGN CMB TEF 100GeV DM BM GeV QGP MeV BBN keV énergie eV DEC température 3K d z Physique des particules Astro-cosmo-physique

Un petit caveat: énergie ≠ entropie Un petit caveat: énergie ≠ entropie! Physique des particules Astrophysique/cosmologie Il est relativement facile d’accélérer des particules et de concentrer beaucoup d’énergie 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, l’énergie est partagée entre un grand nombre de degrés de liberté (p.ex. à l’intérieur d’une grande étoile). En cosmologie, l’énergie est partagée par tout l’Univers (ou par une partie qui contient notre Univers) et on s’intéresse à T plutôt qu’à E.

Deux exemples Physique des particules Astrophysique/cosmologie Pour créer le QGP dans les collisions d’ions 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=Tdéconf. ~ 150 MeV Au-delà de la transition électrofaible (T ~ 100 GeV), de fortes violations du nombre baryonique sont induites par les « sphalérons »

En effet, c’est 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 l’une de l’ autre. La première est concernée par un intervalle assez limité d’énergie, 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 d’énergie, 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.

Par conséquent: Pour conclure: 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 qu’en PP). Aujourd’hui, nous ne pouvons pas nous permettre le luxe d’ignorer 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 d’un effort conjoint de ces deux communautés. Pour conclure:

J’espère que le grand cercle deviendra une ellipse de plus en plus etroite Physique des particules Astrophysique, cosmologie

Physique des particules Astrophysique, cosmologie

Physique des particules Astrophysique, cosmologie

Physique des particules Astrophysique, cosmologie