Biographie d’un grand cuisinier d’atomes: l’Univers Communication à l’Académie des Sciences , Belles-Lettres et Arts de Lyon Palais Saint-Jean, le 12 mars 2013 Biographie d’un grand cuisinier d’atomes: l’Univers Joseph Remillieux Professeur émérite, Université Claude Bernard Lyon1 Institut de Physique Nucléaire de Lyon

Bibliographie Universa Descriptio Le Modèle Standard après avoir consulté: Genesis, De rerum natura Μαθηματική σύνταξις (Almageste) j’ai choisi d’utiliser une œuvre récente Universa Descriptio  Le Modèle Standard 

Acte de naissance du Cuisinier Il est né sous X il y a 13,7 milliards d’années, en un lieu indéfini de parents inconnus des dieux ou d’un 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 l’aida à franchir le « mur de Planck » en moins de 10-43 seconde ! et à expérimenter la « Grande Unification » de toutes les forces de la Nature … pendant 10-11 seconde

La légende de ses premiers cris et de sa première recette Sous l’effet d’une fièvre extrême (1019 GeV) cet enfant prodige aurait eu une croissance explosive on parla d’une « grande inflation » On prétend aussi qu’en moins de 10-12 seconde il réussit sa première recette, la soupe primordiale  à partir d’ingrédients de matière et d’antimatière: quarks, gluons, photons, électrons, neutrinos … et une pincée de « matière noire », encore non-identifiée température de dégustation conseillée:  quelques centaines de milliards de degrés

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

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 l’antimatière ait été annihilée

Soupe primordiale de quarks et de gluons

Pour les marmitons, une seule unité ! A partir des trois relations: E = ½ kT Boltzmann 1873 E = hν Planck 1900 E = c2m Einstein 1905 Le Chef demanda à ses marmitons de tout exprimer en unité d’énergie: l’électron-Volt (eV) Å

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 l’Univers 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

Une seconde plus tard: sa seconde recette la soupe s’étant brutalement refroidie de 1015 GeV à 1 MeV ! il appliqua les recettes de la Chromo - Dynamique - Quantique pour condenser quarks et gluons en nucléons: protons et neutrons (instables)

Recettes de cuisine « hadronique »

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

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 d’exclusion 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 3He puis la fusion (3He, 3He) en 4He

Nucléosynthèse primordiale de l’hélium

la très chaude fusion de deux noyaux Z1 Z2 Ep Fusion chaude Fusion froide par effet tunnel Température r 5.10-13 cm

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 d’électrons, essentiellement composé de 75% de noyaux d’hydrogène 25% de noyaux d’hélium … c’est la composition actuelle du Cosmos !

Délice nucléaire primordial d’hydrogène et d’hélium avec ses effluves de deutérium, lithium et béryllium

Sa quatrième recette « atomique » … en un éclair de génie Le Chef prit alors 380 000 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 d’hydrogène et d’hélium selon les recettes de l’Electro – Dynamique - Quantique De ce gaz sans électrons libres, les photons purent soudainement s’échapper le sombre brouet du Chef émit alors un flash de lumière à 3 000 °K cet éclair de génie fit passer le jeune Chef de l’ombre à la lumière Son flash est encore visible aujourd’hui à 3°K … car le Cosmos est en expansion !

du fond diffus cosmologique Eclair du fond diffus cosmologique sur son gaz atomique d’hydrogène et d’hélium

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 qu’il avait mijotées en touillant sa soupe primordiale les « catons » (grumeaux) devinrent par gravité des lieux d’effondrements très denses et très chauds atteignant de nouveau les températures de la fusion nucléaire La froide cuisine devint une pouponnière d’étoiles A l’âge de 400 millions d’années, le Chef venait d’obtenir sa première L’espérance de vie et le destin, plus ou moins dramatique, de ces étoiles va désormais dépendre de leur masse

Recette pour la création d’une étoile Salvador Dali

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

Recette pour la cuisson d’un 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 d’isotopes possibles est limité ( modèle de la goutte liquide ) La structure quantique en couches de nucléons prévoit l’existence de noyaux magiques très stables En fait, les noyaux créés par nucléosynthèse sont le plus souvent instables mais ils peuvent être stabilisés par radioactivité

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

Le Nirvana des noyaux: le fond de la Vallée de Stabilité 290 noyaux sont stables 7000 sont possibles (radioactifs) - dont 2500 déjà identifiés

Z N Noyaux: - Stables - Riches en protons - Riches en neutrons 17F 18F 109.7 m 19F 20F 11 s 13O 8.58 ms 14O 70.6 s 15O 2.03 m 16O 17O 18O 19O 27.1 s 12N 20.4 m 13N 20.4 m 14N 15N 16N 7.13 s 17N 4.17 s 18N 0.63 s Z 9C 125 ms 10B 19.3 s 11C 20.4 m 12C 13C 14C 5730 y 15C 2.45 s 16C 0.747 s 17C 193 ms 8B 770 ms 10B 11B 12B 20.20 ms 13B 17.33 ms 14B 13.8 ms 15B 10.4 ms 7Be 9Be 10Be 1.6 106 y 11Be 13.8 s 12Be 23.6 ms 14Be 4.35 ms 6Li 7Li 8Li 840 ms 9Li 179 ms 11Li 8.5 ms 3He 4He 6He 808 ms 8He 119 ms 1H 2H 3H 12.323 y n 10.25 m N

Un rêve: atteindre l’ilôt des noyaux super lourds Dr. Andrey G. Popeko

La « Table des Eléments » du cuisinier chimiste

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

L’art de la fusion des noyaux à feu doux, en cœur d’étoile Dès que la température atteint 10 millions de degrés la fusion de l’hydrogène s’amorce l’étoile 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

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

L’art d’utiliser les restes la fusion des cendres En panne de combustible hydrogène l’étoile s’effondre, et s’échauffe: 100 millions de degrés la fusion des cendres (noyaux d’hélium) s’amorce et produit des noyaux de Béryllium, puis de Carbone et d’Oxygène Lorsque toutes ces cendres sont brûlées et après effondrement, il fait 1 milliard de degrés la fusion s’amorce entre noyaux de Carbone puis de Néon et d’Oxygène Le dernier effondrement est pathétique Il fait 3 milliards de degrés, la fusion du Silicium est possible tous les éléments sont alors produits, jusqu’au Fer mais l’étoile est en fin de vie, car elle ne peut plus rien fusionner sans apport d’énergie

En fin de cuisson (fusion): l’oignon du Chef

Salade d’atomes semi-légers Grand choix parmi 56 éléments jusqu’au Fer Préparés par fusion douce en cœur d’étoiles

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 l’énergie ! Pour cuisiner des éléments plus lourds que le Fer Il faudra d’autres chaudrons pour mettre en jeu des recettes plus chaudes, plus complexes, parfois même explosives entre noyaux plus ou moins  exotiques 

Quel avenir pour ces « géantes rouges » ?

Deux fins de vie sont possibles Pour les plus petits chaudrons (ex. notre Soleil) C’est une retraite astrale modeste et paisible après une très longue vie active, ils s’effondrent en étoiles naines Pour les plus gros chaudrons après une courte période d’activité « 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 C’est dans ces chaudrons explosifs que le Chef va réussir à cuisiner les atomes les plus lourds

La suractivité nucléaire des Novae Privée d’énergie de fusion, la géante rouge s’effondre 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) L’énergie 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 l’Uranium l’onde de choc de l’explosion inonde de noyaux lourds toute la cuisine Le Chef n’a plus qu’à collecter ces fumets lourds autour du chaudron explosé

Nombre de protons Capture rapide de neutrons Nombre de neutrons

Qu’advient-il des cendres du chaudron-supernova explosé ? Les cendres résiduelles sont de densité extrême soit leur masse est suffisante pour « percer l’espace-temps » le chaudron devient alors un trou noir « noir », car même la lumière ne parvient pas à en sortir soit leur masse n’est pas suffisante une étoile à neutrons apparaît alors c’est 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 d’attendre une collision entre ces objets, pour en récupérer quelques débris

Croûte et cœur d’une étoile à neutrons

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

Le Chef s’exerce aux recettes de la Chimie Interstellaire Disposant de plus de 3000 isotopes, il s’essaya à la cuisine moléculaire dans les nuages denses interstellaires et à la surface des grains de poussières Il synthétisa d’abord des molécules simples diatomiques, puis composées d’une dizaine d’atomes inorganiques, puis organiques Il mit alors à sa carte, plus de 160 molécules dont les fameuses briques pré biotiques

Grillade d’atomes légers Soupe primordiale Grillade d’atomes légers sur lit de fusion douce Pavé de Fer extrait du fond de la Vallée de Stabilité Ile flottante d’éléments super-lourds sur leur Mer d’Instabilité saupoudrée d’extraits de croûte d’étoile à neutrons Liqueur de molécules pré biotiques Découvert tout près de chez nous: sur la Voie Lactée Menu récent: datant d’environ 4 Milliards d’années

L’énigme de la recette cachée Cette biographie n’a pas permis de percer le mystère de la recette de la Matière Noire que le Chef cache depuis plus de 13 Milliards d’années Ni d’ailleurs celui de l’Energie Noire qui depuis 6 Md d’années accélère l’expansion 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 ?

Au menu des chercheurs: la savoureuse part cachée du camembert

Merci et bonne digestion

… c’est ce qui ce passe actuellement dans notre Soleil

Le Soleil … vu par les neutrinos qu’il émet Noyau: R~700 000 km, T~15 000 000 °C