Les particules élémentaires…

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1 Les particules élémentaires…
…une clef pour l’Univers ?

2 En quelque recoin écarté de l’Univers répandu dans le
flamboiement d’innombrables systèmes solaires, il y eut une fois un astre sur lequel des animaux intelligents inventèrent la connaissance… F.Nietzsche Vérité & mensonge

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4 L’Univers

5 Date de la « création »? 1924: Traditions grecque, chinoise, maya,
hindoue... Cosmos parfait = immobile 1654: J.Usher « calcule » j et h: 23/10/– (9h du matin…) 1750: Buffon expérimente: ans 1832: Lyell 1859: Darwin Observent+réfléchissent Millions ! 1924: MILLIARDS !

6 Nos ancêtres les … GRECS
Alexandrie Syene (Assouan)

7 Taille de l’Univers 250 BC: Aristarque de Samos 1667: I.Newton E
Méth1: Théo. Pythagore => DT-Sol=19.DT-Lune Méth2: Eclipses (Lune=>RL/RT) (Soleil=>DTL/DLS=RL/RS) Conclusion: MS>MT donc tout tourne autour de lui! 1667: I.Newton Pomme+Lune => 100 M de km (+/-) T E 1838: G.F.Bessel Parallaxes => 11 A.L. ( = Mds de km) 1924: E.Hubble Céphéides => Galaxie 1 M A.L. ( = km) 2003: Télescope Spatial RedShift => Lim. 13 Mds A.L. ( = km)

8 Edwin Hubble: I 1923 Galaxie M31 résolue en étoiles
+ une étoile variable périodique! L(t)=L(t+T) et T=f(m), donc de Mabs et Mapp=Mabs/d2 d > 1 million d’A.L. (!)

9 F = G mM / d2 so what?? Premières angoisses d m M
« Si l’espace était fini, toute la matière tendrait, par gravité, à tomber au centre. Mais si elle était uniformément répartie dans un espace infini, la matière ne se rassemblerait jamais en une seule masse» (10/12/1692) Correspondance I.Newton-R.Bentley Infini possible, mais instable ! Tout écart à l’uniformité doit augmenter… « Il est encore plus difficile d’imaginer que toutes les particules d’un espace infini puissent se trouver si exactement disposées que leur équilibre soit parfait… Autant vouloir faire tenir une infinité d’aiguilles en équilibre sur leur pointe! » (17/01/1693) so what??

10 1915 !! Soleil, Trous Noirs.. +Univers ! g ? géométrie !

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12 Les géomètres de l’Univers courbe
1915: Equations de la Relativité Générale 1917: Univers courbe, en expansion (De Sitter) 1919: Univers courbe, statique (Einstein) 1919 1922: Univers courbe, dynamique (Alexander Friedmann)

13 Géométrie courbe…. Univers (3 D) hypersphère G triangle sur
une sphère: a+b+g >180° R (4e dim.) S=4pR2 Vs=4/3pR3 Dmax=pR Sh(r)=(4/p)R2sin2(pr/R) Vh= (2/p) R3 = 2p2a3 (a=R/p = rayon hyper-sph.) Dmax= R = p.a S r R=3, m Vh/Vs=0.152 sphère hypersphère

14 Code-Barre ! 1830: A.Comte… 1851: Kirchhoff !
1869: découverte, dans les raies du Soleil, d’un élément inconnu sur Terre: l’hélium. chlorophylle Code-Barre !

15 Edwin Hubble: II 1924 v = 10000 km/s (!) Effet Doppler: l’/l=1+v/c
galaxies lointaines: spectre décalé !

16 « Loi » de Hubble : pourquoi une droite?
v = H. d ? v = H. d ! « invariance par translation »

17 ?

18 3 –15 min de T° nucléaires… Un berceau nucléaire George Gamow 1946
T° = 100 millions de °C: + D He H George Gamow 3 –15 min de T° nucléaires… Avant dilatation & refroidissement: 1) Univers = 75% H + 25% He + 0,0001 % D 2) « Echo » de lumière fossile: photons T=5°K Prédictions:

19 Fusion thermonucléaire (JET, ITER)
« Plasma » à 500 millions de degrés… mais durée limitée

20 1. Composition chimique de l’Univers
L’Univers se contente à 99,98% des DEUX premiers éléments du Tableau Périodique de Mendeleev !

21 2. Le rayonnement « fossile » existe!
L’Univers rayonne comme un four (mais refroidi à 3°K) A.Penzias, R.Wilson (1965) (forme théorique: Corps Noir)

22 Les particules

23 Modèle d’Univers asymétrique (Physique des particules:
1967: Réponse de Sakharov à Leibniz ??? « Pourquoi quelque-chose plutôt que rien ?? » L’Univers matériel aurait pu n’être RIEN 1 + 1 = 0 Simple « résidu » …(trop peu d’anti-matière) 1932: anti-électron ; : anti-proton 1995: 8 atomes d’anti-hydrogène ! (W.Oelert) Modèle d’Univers asymétrique (Physique des particules: 1964: Défaut de symétrie (CP) dans les mésons K0-K0 )

24 Anti-matière… B 1932: Premier POSITON… (C.Anderson) hadronthérapie
T.E.P.+I.R.M.

25 108+(108+1) L’Homme ? simple matière résiduelle…
Autre conséquence du modèle de Sakharov: le proton n’est pas éternel ! ( 1031 années: on a le temps…)

26 Thermodynamique paires Particules/Antiparticules
1. Processus unique: g+g e+ + e- ssi Eg>2. mec2 2. Collection particules ! g+g e+ + e- ssi (kB.T) > 2. mc2 Protons / P: Tlim=1013 °K Electrons / e+: Tlim=5.109 °K ère « hadronique » ère « leptonique » T t

27 Le best-seller de l’année 1977
(Réponse: le Prix Nobel 1979) Mais qui est ce Weinberg !!! ???

28 Que font les Physiciens des Particules?
1964 200 particules instables Table « Périodique » ! (????) SU(3) Quarks Leptons u d e n (2/3 -1/3 -1 0) « force » faible Weinberg Salam, Glashow électromagn. forte =proton =neutron

29 Où sont les Particules Elémentaires?
« dans » la matière : (3 ou 4…) tout le reste: dans le VIDE !

30 La première seconde...tout sauf du vide
E (eV) 1032 1028 T(K) t (s) 10-43

31 1926: Invention de la Mécanique Quantique
obligatoires ! possible ! (1883: W.W.Ellis)

32 Image Quantique des « Forces »
F=particules ! V(r)=qq’/r2 e- Pb: Processus interdit ! e g+e Potentiels retardés! Poynting => Dp Solution: DE.Dt>h (merci Heisenberg) Formalisme: f“=” électron f+“=”anti-électron A et A+ ”=“photon Hint = g.( f+Af + A+f+f )

33 L’électron vu de très près

34 Electromagnétisme Quantique (QED)
+ + +… 8 Bizarre… mais : Précision diabolique !! e g= (P.Dirac, 1932) g= (Feynman, 1941) g= (mesures, 1999)

35 Même image quantique pour TOUTES les Forces
Int. faible n p e- p ou encore: n e- n e- n Désintégration du neutron: n p+e+n Diffusion neutrino-neutron: n+n p+e e e Interaction e-magnétique e e- e+ q Diffusion électron-électron Annihilation électron-positron

36 4 Forces ? 3? 2? 1? Heisenberg Yukawa Gross 1932 Forte 1935 1973 E 1873 1905 1941 EM Maxwell Einstein Fermi Feynman Weinberg 1972 B 1935 Faible ?? 1915 ! Gravité Newton Einstein Hawking 1681

37 Le film des Forces en présence
1er noyau d’He g, (e,n),((n,p)) 4 forces séparées: +BOOST inflation La Gravité se différencie (+ asym. Mat/AntiMat) 4 forces UNIES (quarks=leptons)

38 Etoiles (2e gen.) Atomes +rayonnement fossile Etoiles (1ere gen.)
Syst. solaire Elts lourds (super-novae) protogalaxies

39 Big-Bang bancal ? Inflation !
1980: A.Guth 1981: A.Linde 1 « SuperForce » 4 forces distinctes symétrie élevée symétrie faible T° t 10-35s rupture état métastable excès d’énergie effet répulsif GEANT Modèle Multi-Univers 1) courbure quasi-plate notre Big-Bang? 2) la lumière « fossile » doit être uniforme à 0,001 %...

40 1992 Satellite COBE (COsmic Background Explorer)
Image du bébé-Univers

41 ! Et avant t=0 ?

42 Autres mystères… Début film: rôle du Champ de Higgs ?
Fin film: nature de la Matière Noire ?

43 Futurs… …et géometrie

44 Libération… Vlib= 11 km/s: Terre Vlib=700 km/s: Soleil
Vlib= km/s: Etoile neutrons (Vlib> km/s: Trou Noir) Univers: expansion stoppée si densité > Wcritique= g/cm3

45 Matière Noire V? F.Zwicky (1934) Visible: 10% Mgalaxies
La chasse est ouverte! ( wimps, machos, SuperSym, axions..)

46 Le neutrino était presque parfait
Moteur nucléaire d’une étoile: p+p H+e++v (n p+e++v) 1 galaxie = 1 bain de 1070 n… et 1998: mn= eV (insuffisant)

47 Le vide est surpeuplé… H.B.Casimir (1948) …et on connaît sa « forme »
« faux » vide (P<0) vide final 1964: Peter Higgs (Unification des Forces) 1980: Alan Guth, Andrei Linde (Univers primitif) 2007: découverte H léger au L.H.C. ??? 1957

48 Recette pour un Univers réussi = Y Higgs
1. = Y Higgs (sombrero) 2. = Thermodyn. +Quantique (T=1032)

49 Nous sommes dans le siècle qui a compris toutes les erreurs de la physique.
Voltaire