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Université de Genève, 23 octobre 2004
Le grand cercle: des particules au cosmos
(et vice versa)
G. Veneziano CERN/PH-TH & Collège de France
Université de Genève, 23 octobre 2004
Le grand cercle: des particules au cosmos
(et vice versa)
G. Veneziano CERN/PH-TH & Collège de France
Comment une ligne Comment une ligne droite…droite…
Physique des particules, des accélérateurs:Voyage vers l’infiniment petit
Astronomie, Astrophysique, Cosmologie:Voyage vers l’infiniment grand
Grandes échellesPetites échelles
1cm10-13 cm 1013cm
..peut-elle devenir un cercle?..peut-elle devenir un cercle?
1010-32-32 10102828
(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)
A,a BC
b
c
d
D
Point à l’infini
……et en physique?et en physique?L’Univers, depuis 13,5 milliards d’années, est en
phase d’expansion et de refroidissement.La vitesse de la lumière, cc, 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:
Grandes distances en cosmologie
Passé lointain
Univers chaud hautes énergies
Petites distances en physique des particules
DU COSMOS AUX PARTICULESDU COSMOS AUX PARTICULES
Grandes distances en cosmologie
Passé lointain
Hautes énergies hautes témperatures
Petites distances en physique des particules
DES PARTICULES AU COSMOSDES PARTICULES AU COSMOS
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)
A,aB’C
b
c
d
D
B
b’
1cm10-13 cm 1013cm1010-32-32 10102828
(noyau d’atome) (dist. terre-soleil)
eVMeV
GeV
100GeV
keV
TeV
GUT
Cordes
DECBBN
QGP
BGN
INFL
TEF
??
PlanckBig Bang?Q-Gravité?
Physique des particulesPhysique des particules Astro-cosmo-physiqueAstro-cosmo-physiquez
température
d
énergie3K
BMDM
GW
CMB
pm
DE
LHC
LEP
SPS
ISR
Les connections sont nombreuses
Physique des particules Astrophysique/cosmologiePhysique atomique Physique nucléaire
Interactions fortesInteractions électrofaiblesHiggs, SUSY?..Le désert??GUTsQCD+ ??Physique de Planck/cordes
Recombination e,p (A)BBNQGPTransition de phase électrofaibleBaryogenèse, leptogenèse, Matière sombre, CMBUHECRFond stochastique d’OGOrigine de l’énergie sombreTrous noirs et MQSingularités 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?Et que devient le grand cercle?
eVMeV
GeV
100GeV
keV
TeV
GUT
DECBBN
QGP
BGN
INFL
TEF
Physique des particulesPhysique des particules
Physique des cordes?
Astro-cosmo-physiqueAstro-cosmo-physiquez
température
d
énergie3K
BMDM
GW
CMB
pm
DE
Collisions @ E>MP Univers avant le Big bang
Limite QFTLimite GR
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 exemplesPhysique 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:• 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 cercledeviendra une ellipse de plus en plus
etroite
Astrophysique, Astrophysique, cosmologiecosmologie
Physique des Physique des particulesparticules
Astrophysique, Astrophysique, cosmologiecosmologie
Physique des Physique des particulesparticules
Astrophysique, Astrophysique, cosmologiecosmologie
Physique des Physique des particulesparticules
Astrophysique, Astrophysique, cosmologiecosmologie
Physique des Physique des particulesparticules
