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La Naissance de la Matière
Département de Physique,Université de Genève,
le 3 mai 2005John Ellis
Conçue par les particules élémentaires
temps
espace
L’univers jusqu’à aujourd’hui
La loi d’expansion de Hubble
• La lumière qui nous arrive des galaxies lointaines est plus rouge
• L’effet est proportionnel à la distance• L’effet est dû à l’expansion des ondes de la lumière
pendant l’expansion de l’univers• Vitesse de séparation:
~ 70 km/seconde/million d’années lumière
• Les objets les plus éloignés:~ 10,000,000,000 d’années lumière
• La même physique que chez nous!
L’expansion de l’univers
Selon Hubble
Données récentes obtenues avec le télescope Hubble
é
Hubble, le basketteur
L’univers est dans un état d’expansion
• Les galaxies s'éloignent de nous
l’expansion découverte par Hubble
• L’univers était une fois 3000 fois plus petit et plus chaud qu’aujourd’hui
le fond de radiation micro-onde cosmique
Le fond de radiation micro-onde cosmique
Découvert parPenzias et Wilson,
1965
Le fond de radiation micro-onde cosmique
• Nous baignons dans une radiation micro-ondeà une température de 3 degrés au-dessus du zéro absolu
• Presque la même dans toutes les directionsnous bougeons à une vitesse relative de 700 km/seconde
• Il y a des petites fluctuations dans ce fond de radiation1 sur 100,000
• Qui auraient leur origine dans le très jeune universà un âge de 0.000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000, 001 secondes?
Le fond de radiation micro-onde cosmique
Presque identique dans toutes les directions
Petites variationsdécouvertes par lesatellite COBE
L’univers est dans un état d’expansion
• Les galaxies s'éloignent de nous
l’expansion découverte par Hubble
• L’univers était une fois 3000 fois plus petit et plus chaud qu’aujourd’hui, pour fabriquer
le fond de radiation micro-onde cosmique
• L’univers était une fois 1,000,000,000 fois plus petit et plus chaud qu’aujourd’hui
les éléments ont été fabriqués lors du Big Bang
La nucléosynthèse cosmologique
• L’univers contient à peu près 24% d’hélium 4et moins de deutérium, hélium 3, lithium 7
• Ils n’ont pu être fabriqués que par des réactions nucléaires dans le jeune univers
lorsque l’univers était une fois 1,000,000,000 foisplus petit, plus chaud qu’aujourd’hui
• Les proportions dépendent de la quantité de la matière dans l’univers
pas suffisante pour arrêter l’expansion, fabriquer les galaxies
• Les proportions dépendent aussi du nombre de types de particules
nombre mesuré aux accélérateurs
Les proportions des éléments légers
Les calculs théoriques
accord avec les données
Pas assez de matière normale pour arrêter l’expansion de l’univers
hélium
lithium
Le très jeune univers
• Taille: a zéro• Age: t zéro• Température:T élevée
T ~ 1/a, t ~ 1/T2
• Energies:E ~ T• Ordres de grandeur:
t ~ 1 secondeT ~ 10,000,000,000 degrésE ~ 1 MeV ~ masse de l’électron
Il faut utiliser la physique des particulespour décrire le très jeune univers
Des rayons cosmiques jusqu’au CERN
Le CERN a été fondé en 1954 pour étudier ces particules
Découverts il y a un siècle …
… les rayons cosmiques produisent divers types de particules élémentaires …
-
Toute la matière est fabriquéedes mêmes constituants
Qu’est-ce qu’ils sont?Quelles sont leurs interactions?
Les atomescontiennentélectrons …
qui orbitentautour d’unnoyau …
qui estfabriqué deprotons …
etneutrons …
qui sontfabriqués de
quarks
A l’intérieur de la matière
Le ‘Modèle Standard’ de la physique des particules
Proposé par Abdus Salam, Glashow et Weinberg
Testé par les expériencesau CERN
En parfait accord avec les expériences dans tous les
laboratoires
Mesuredu nombredes types
de particules
Particules de la Matière
Interactions fondamentales
Le ‘Modèle Standard’
Gravitation électromagnétisme force nucléaire faible force nucléaire forte
300,000années
3minutes
1 micro-seconde
4 pico-secondes
Formationdes atomes
Formationdes noyaux
Formationdes protonset neutrons
La soupeprimordiale
Les grandes questions ouvertes
• L’origine de l’univers?question remise à un autre conférencier!
• Comment fabriquer la matière dans l’univers?1,000,000,000 fois plus de photons que de protons
• Comment fabriquer les structures dans l’univers?
fluctuations primordiales et matière cachée?
• Comment fabriquer la matière cachée?Seul la physique des particules
est en mesure de répondre à ces questions
Une bizarre recette pour un univers
énergie cachée
Le ‘Modèle Standard’ de l’universindiqué par l’astrophysique et la cosmologie
Matière cachée
Le budget de la densité de l’univers
• La densité totale ~ critiquela théorie de l’inflation, les mesures du
fond micro-onde: ΩTot = ~ 1
• La densité des baryons est petite
la nucléosynthèse primordiale, le fond micro-onde: ΩBaryons ~ quelques %
Le fondde radiationmicro-ondecosmique
selon COBE
selon WMAP- à une seule fréquence
Le fond micro-onde selon WMAP
La combinaison de diverses fréquences
Le spectre de fluctuations dans le fond micro-onde
Le premier picdépend de ΩTot
Les tailles relativesdépendent de Ωb
Les contraintes imposées par WMAP
L’énergie cachéeLa densité
de la matière~ 0.3
L’énergie cachée~ 0.7
La matière
La densité totale~ valeur critique
Les proportions des éléments légers
Les calculs théoriques
accord avec les données
Pas assez de matière normale pour arrêter l’expansion de l’univers
hélium
lithium
- D’où vientla matière?- Pourquoi pasd’antimatière?
Comment diffèrent la matière et l’antimatière?
Dirac a prédit l’existence de l’antimatière:même massepropriétés internes opposées:
charge électrique, …Découverte parmi les rayons cosmiquesEtudiée avec les accélérateurs
Mais la matière et l’antimatière ne sont pas égales et opposées: POURQUOI?
Pourquoi est-ce que l’univers contient la matière et non l’antimatière?
Les expériences au CERN et ailleurs recherchent des réponses
Comment fabriquer la matièredans l’univers
• Il faut une différence entre la matière et l’antimatièreobservée dans le laboratoire
• Il faut des interactions capables de créer la matièreprésentes dans les théories unifiées pas encore mises en évidence
• Il faut casser l’équilibre thermiquepossible lors des désintégrationsde particules lourdes
Sakharov
Calculs basés sur les mesures dans le laboratoire?
Le budget de la densité de l’univers
• La densité totale ~ critiquela théorie de l’inflation, les mesures du fond micro-onde:
ΩTot = ~ 1• La densité des baryons est petite
la nucléosynthèse primordiale, le fond micro-onde: ΩBaryons ~ quelques %
• La densité totale de la matière est nettement plus grandeWMAP et al indiquent que:
ΩMatière ~ 25 %• La plupart est la matière froide cachée
pour fabriquer les structures de l’univers
Les structures observées dans l’univers
Uniforme à la plus grande échelle Galaxies Amas
← distance →
Comment fabriquer les structures de l’univers
• Leurs origines sont dans les fluctuations dans la radiation micro-onde
• Elles ont besoin d’amplification• Possible avec l’aide de particules lourdes• Les neutrinos légers s’échappent des petites
structures pas appropriés• A préférer des particules non relativistes:
‘la matière froide cachée’
Ων=0
Ων=0.01Ων=0.05
Données sur les structures cosmologiques
2dF
tea
m: a
stro
-ph/
0204
152Les neutrinos auraient une petite densité
Les neutrinos ne pèsent pas beaucoup
Ωνh2 < 0.007
mν
< 0.23 eV
Selon WMAP …
A quoi servent les neutrinos?• Leurs masses sont petites
mais non nullesmoins de 10% de la matière cachée?
• S’échapperaient des galaxiesà des vitesses relativistes
• Est-ce qu’il y a aussi des neutrinos plus lourds?sans doute instablesauraient pu fabriquer la matière à la Sakharov?
• Il faut des particules de matière cachée qui sont lourdes et stables
particules ‘supersymétriques’?
Le budget de la densité de l’univers
• La densité totale ~ critiquela théorie de l’inflation, les mesures du fond micro-onde:
ΩTot = ~ 1
• La densité des baryons est petitela nucléosynthèse primordiale, le fond micro-onde:
ΩBaryons ~ quelques %
• La densité totale de la matière est nettement plus grande
ΩMatière ~ 25 %
• La plupart est la matière froide cachée
100
Myr
1 G
yr
5 G
yr
tod
ay
La formation des structures dans l’universLa formation des structures dans l’universAvec l’aide de la matière froide cachée
La distribution de la matière
Entre les galaxies Dans le halo d’une galaxie
Les structures de l’univers comparées avec le ‘Modèle Standard’
univers plat:ΩTot = 1,
matière froide cachée:ΩCDM ~ 0.25,
peu de baryons:Ωb ~ 0.05,
énergie cachée:ΩΛ
~ 0.7
La matière cachée supersymétrique?
• La supersymétrie lierait
les particules de la matière
particules porteuses des interactions
• Pourrait expliquer l’échelle des masses des particules
• La particule supersymétrique la plus légère serait stable?
devrait peser moins de 1000 GeV
• D’après nos calculs, aurait une densité similaire à celle de la matière cachée
A rechercher dans le laboratoire
Astronomers tell us that most of the matter in the universe is invisible
We will look for it
with the LHC
La matière cachée dans l’univers
Les astronomesnous disent que la plupart de la matière dans l’univers est
invisible Dark MatterParticules supersymétriques?
Nous les rechercheronsavec le LHC
La recherche de la matière cachée supersymétrique
• Des annihilations dans le halo galactiqueχ – χ antiprotons, positons, …?
• Des annihilations au centre de notre galaxieχ – χ γ + …?
• Des annihilations au centre du Soleilχ – χ ν + … µ + …
• Diffusion sur un noyau dans le laboratoireχ + A χ + A
Diffusion sur un noyau dans le laboratoire
Particulesupersymétrique
Matérielultra pur
Le projet LHC au CERN
Collisionneur Proton-Proton
7 TeV + 7 TeV
Luminosité = 1034cm-2s-1
Objectifs scientifiques: • L’origine de la masse• La matière cachée• Le plasma primordial• Matière vs antimatière
1 TeV = 1000 GeV ~ 1000 fois la masse du proton
La recherche de la supersymétrie au LHC
Simulation par ordinateurde la production d’une
paire de particulessupersymétriques au LHC
Le LHC pourra explorer la plupartdes possibilités pour
la matière cachée supersymétrique
Les supernovae et l’énergie cachée
Explosions lointaines qui mesurentla géométrie de l’univers
Elles indiquent quel’expansion de l’univers s’accélère
L’expansion poussée par l’énergie cachée dans le vide?
La ‘plus grande erreur’ d’Einsteindevient sa ‘plus grande réussite’?
• Trop facile!• Toutes nos théories prédisent une énergie
dans le vide beaucoup grande que la valeur observée
• Il faudra sans doute une nouvelle physique!• Modifier la relativité générale d’Einstein?• Eventuellement, la théorie des cordes, mais
… nous ne sommes pas encore là
Comment fabriquer l’énergie cachée?
La symbiose de l’astrophysiqueavec la physique des particules
• Le contenu de l’univers:la matière cachée
l’énergie cachée
l’origine de la matière
• L’évolution de l’univers:
la création des éléments légers
la formation des galaxies
La physique des particules a donné naissance à notre universL’univers pourra nous apprendre la physique desparticules
Les supernovaesont des chandelles standard
Elles mesurent la géométrie,et elles indiquent que
l’univers accélère maintenant,après avoir décéléré auparavant
Riess et al, Perlmutter et al
Les supernovae préfèrent:Grande densité totale
Petite densité de la matièredensité de l’énergie cachée
~ constante
Riess et al, Perlmutter et al
Vue générale du LHC et de ses expériences
100 m de profondeur27 km de circonférence
Diameter 25 mBarrel toroid length 26 mEnd-cap end-wall chamber span 46 mOverall weight 7000 Tons
L’expérience ATLAS
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