Comprendre l`Origine de l` Univers

Univers et Particules:
nouvelle physique
pour le XXI e siècle
Stephan Narison
CNRS-IN2P3 (LUP-Montpellier)
Stephan 2010 – p. 1/4
Plan de l’exposé
• Historique et Unités de Mesure
• L’échelle de l’univers: les deux infinis
• Comprendre l’origine de l’Univers
• Excursion vers l’infiniment grand
• Vers l’infiniment petit: le Modèle Standard
• Unification des 3 forces de la nature
• Exploration de l’infiniment petit
• Retombées Technologiques de HEP et du LHC
• Retombées Geopolitiques du LHC
• Retombées pour Madagascar
Stephan 2010 – p. 2/4
Historique
➳
Stephan 2010 – p. 3/4
Historique
➳
• Mecanique Macroscopique n’est pas adaptée au Monde
Microscopique : incapable d’expliquer le rayonnement
electromagnetique produit par un corps “noir" absorbant en
équilbre thermodynamique avec son milieu
Stephan 2010 – p. 3/4
Historique
➳
• Mecanique Macroscopique n’est pas adaptée au Monde
Microscopique : incapable d’expliquer le rayonnement
electromagnetique produit par un corps “noir" absorbant en
équilbre thermodynamique avec son milieu
• Mecanique Quantique Non Relativiste :
dualité ondes – particules ( Planck 1900: Prix Nobel 1918 ) (Einstein 1905: Prix Nobel 1921 )
: l’énergie est quantifiée :
∆E = nhν (h: constante de Planck, ν: fréquence du
rayonnement (photon), n = 0, 1, 2, ..
Stephan 2010 – p. 3/4
Historique
➳
• Mecanique Macroscopique n’est pas adaptée au Monde
Microscopique : incapable d’expliquer le rayonnement
electromagnetique produit par un corps “noir" absorbant en
équilbre thermodynamique avec son milieu
• Mecanique Quantique Non Relativiste :
dualité ondes – particules ( Planck 1900: Prix Nobel 1918 ) (Einstein 1905: Prix Nobel 1921 )
: l’énergie est quantifiée :
∆E = nhν (h: constante de Planck, ν: fréquence du
rayonnement (photon), n = 0, 1, 2, ..
• Théorie Quantique Relativiste des Champs
principe de la relativité (Einstein 1905) : carré de
l’intervalle d’espace-temps et norme de l’énergie-impulsion
indépendants du referentiel : E 2 − p2 c2 = m2 c4
p
E: énergie, p = mv/ 1 − v2 /c2 : impulsion, v: vitesse,
c: vitesse de la lumière.
Stephan 2010 – p. 3/4
Unités de Mesure
➳
Stephan 2010 – p. 4/4
Unités de Mesure
➳
• Equivalence entre masse et énergie : E = mc2
c = 1, v ≪ c =⇒ masse en Electron-Volt (eV) :
1 eV=1.78×10−36 kg
1keV= 1000 ≡ 103 eV, 1 MeV=106 eV, 1 GeV= 109 eV
Stephan 2010 – p. 4/4
Unités de Mesure
➳
• Equivalence entre masse et énergie : E = mc2
c = 1, v ≪ c =⇒ masse en Electron-Volt (eV) :
1 eV=1.78×10−36 kg
1keV= 1000 ≡ 103 eV, 1 MeV=106 eV, 1 GeV= 109 eV
• Equivalence entre Distance et Energie :
c = 1,
h/2π = 1 =⇒
2 × 10−16 mètre ≡ 1/GeV
Stephan 2010 – p. 4/4
L’échelle de l’Univers : les deux infinis
Stephan 2010 – p. 5/4
Stephan 2010 – p. 6/4
Comprendre l’Origine de l’ Univers ?
➳ • Si on croit en Dieu :
Stephan 2010 – p. 7/4
Comprendre l’Origine de l’ Univers ?
➳ • Si on croit en Dieu :
♦
Au Commencement Dieu créa les cieux et la terre (Genèse 1:1)
Stephan 2010 – p. 7/4
Comprendre l’Origine de l’ Univers ?
➳ • Si on croit en Dieu :
♦
Au Commencement Dieu créa les cieux et la terre (Genèse 1:1)
♥
Le Commencement réside dans la pensée (la parole), et la
pensée est en Dieu, et la pensée est Dieu. C’est grâce à la
pensée que tout a été créé (Saint Jean 1:1-3)
Stephan 2010 – p. 7/4
Comprendre l’Origine de l’ Univers ?
➳ • Si on croit en Dieu :
♦
Au Commencement Dieu créa les cieux et la terre (Genèse 1:1)
♥
Le Commencement réside dans la pensée (la parole), et la
pensée est en Dieu, et la pensée est Dieu. C’est grâce à la
pensée que tout a été créé (Saint Jean 1:1-3)
➳ • Que dit la Science ?
Stephan 2010 – p. 7/4
Comprendre l’Origine de l’ Univers ?
➳ • Si on croit en Dieu :
♦
Au Commencement Dieu créa les cieux et la terre (Genèse 1:1)
♥
Le Commencement réside dans la pensée (la parole), et la
pensée est en Dieu, et la pensée est Dieu. C’est grâce à la
pensée que tout a été créé (Saint Jean 1:1-3)
➳ • Que dit la Science ?
♠ L’univers a commencé (origine du temps) par l’explosion brutale
d’un point singulier ayant beaucoup d’énérgie:
phénomène du Big-Bang ?
Stephan 2010 – p. 7/4
Stephan 2010 – p. 8/4
Des Expériences
pour
Remonter le Temps !
Stephan 2010 – p. 9/4
Excursion vers l’Infiniment Grand
• Spectre des radiations
Stephan 2010 – p. 10/4
• Fermi Gamma-ray Space Telescope
Exploration du Cosmos dans la région : 10 keV-300 GeV
• Origine des rayons cosmiques
• Mecanisme de la matière noire
(96% de l’univers!)
• Accéleration de Jets de matière
près des trous noirs
• ...
Stephan 2010 – p. 11/4
• Telescope HESS High Energy Stereoscopic System
Le site et telescopes de Namibie (Afrique)
Stephan 2010 – p. 12/4
Detection de rayons gamma cosmiques de Hautes Energies
γ → e+ e−
e+ → γe+ ...
e− → γe− ...
Stephan 2010 – p. 13/4
Rayons gamma cosmiques provenant des supernova ou du coeur des
etoiles près des trous noirs : messagers des planètes à 15 millions
d’annèe-lumière
Supernova Cassiopeia
explosion en 1680
Crabe Nebula
explosion en 1054, decouv. en 1989
Cygnus A
decouv. en 1939
Stephan 2010 – p. 14/4
• Telescope ESO European Southern Observatory
Le site de Paranal: désert de Chili
Stephan 2010 – p. 15/4
Etude d’amas de galaxies et d’étoiles à 50 millions d’annèes lumière
Stephan 2010 – p. 16/4
• Retombées Scientifiques
Meilleure compréhension de l’Univers
• Découverte des nouvelles planètes
à 15-50 millions d’années-lumière
• Composition de la Matière noire
• ...
Explique les phénomènes extra-terrestres
• Origine des rayons cosmiques
• Effets des rayons cosmiques sur notre quotidien :
GPS, ondes radios,...
• Enérgie intense près des trous noirs
• ...
Stephan 2010 – p. 17/4
• Retombées Technologiques
Conception des telescopes : haute technologie
• Optique
• Mecanique
• Informatique
• ...
Conception des satellites
Stephan 2010 – p. 18/4
Vers l’Infiniment Petit :
Le Modèle Standard
➳
Stephan 2010 – p. 19/4
Vers l’Infiniment Petit :
Le Modèle Standard
• 6 quarks ⊕ 6 leptons constituents
Glashow-Weinberg-Salam : Prix Nobel 1979
➳
Stephan 2010 – p. 19/4
➳ • Masses des particules
Stephan 2010 – p. 20/4
➳ • Masses des particules
♦ Masses des Leptons: mesurées experimentalement
me = 0.5 MeV, mµ = 200me , mτ = 18mµ .
mνe ≤ 2 eV, mνµ ≤ 2eV,
mντ ≤ keV
Stephan 2010 – p. 20/4
➳ • Masses des particules
♦ Masses des Leptons: mesurées experimentalement
me = 0.5 MeV, mµ = 200me , mτ = 18mµ .
mνe ≤ 2 eV, mνµ ≤ 2eV,
mντ ≤ keV
♥
Masse des quarks: predictions théoriques
mu = 2.8 MeV, md = 5. MeV, ms = 96 MeV
mc = 1.2 GeV, mb = 4.2 GeV, mt = 174 GeV (experience)
( SN: Livre sur QCD - Cambridge): résultats utilisés par PDG
(Particle Data Book)
Stephan 2010 – p. 20/4
➳ • Quelles sont les Forces qui regissent la Nature ?
Forces electromagnetique, faible, forte & gravitation
Stephan 2010 – p. 21/4
G. t’Hooft-M. Veltman
Prix Nobel 1999
C. Rubbia V. Der Meer
Prix Nobel 1984
D. Gross, D. Politzer,
F. Wilczek
Prix Nobel 2004
Chromodynamique
Quantique (QCD)
Stephan 2010 – p. 22/4
➳ • Les Hadrons des quarks u, d, s ?
• Modèle des quarks de Gell-Mann (Prix Nobel 1969)
a) Mesons : q̄1 q2 :
Mπ = 140 MeV
b) Baryons : q1 q2 q3 :
M p = 1 GeV
• Décrit maintenant par la
Chromodynamique Quantique (QCD):
La théorie de la Couleur
Stephan 2010 – p. 23/4
➳ Les neutrinos :
ces particules invisibles !
Stephan 2010 – p. 24/4
➳ Les neutrinos :
ces particules invisibles !
• Par les accelerateurs des particules : energie manquante
• Par les rayons cosmiques avec des experiences sous-terre :
– tunnel du mont-blanc GRAN-SASSO
– mines du japon SUPER-KAMIOKANDE
– sous les glaces de l’arctique
AMANDA
M. Perl, F. Reines
Prix Nobel 1995
τ → ντ + e + ν̄e , ...
L.M. Lederman, M. Schwartz, J. Steinberger
Prix Nobel 1988
Z → ν̄e + νe
Stephan 2010 – p. 24/4
➳ Le Boson de Higgs : 1 maillon manquant du
modèle standard?
La particule de Dieu ?
Stephan 2010 – p. 25/4
➳ Le Boson de Higgs : 1 maillon manquant du
modèle standard?
La particule de Dieu ?
• Donne des masses aux quarks, leptons, bosons de jauge
• On prédit sa masse autour de 100 GeV : visible au LHC !
• Sa (non) decouverte est cruciale pour l’avenir de la
physique
Stephan 2010 – p. 25/4
Unification des 3 Forces de la Nature?
On pense qu’ à plus haute energie la nature est décrite par une théorie
plus simple (une seule force unifiée) et ayant des (super) symetries
(SUSY)..! : Le Paradis ?
Stephan 2010 – p. 26/4
• Evolution cosmologique de l’univers
Stephan 2010 – p. 27/4
• Consequences de l’Unification !
♣
SUSY
- Unification des 3 forces: fortes, faibles et electromagnetiques
à 1015 GeV =⇒
• Proliferation de particules : visibles au LHC ?
• Expliquent-elles la matière noire (96% de l’univers) ?
Stephan 2010 – p. 28/4
• Consequences de l’Unification !
♣
SUSY
- Unification des 3 forces: fortes, faibles et electromagnetiques
à 1015 GeV =⇒
• Proliferation de particules : visibles au LHC ?
• Expliquent-elles la matière noire (96% de l’univers) ?
♦ Où est la force gravitationnelle de Newton?
- Modèle des cordes ? Gravité quantique ?
Stephan 2010 – p. 28/4
• Autres Questions Fondamentales !
♣
Origine des masses
- Boson de Higgs ? necessaire pour confirmer le Modèle
Standard
- Dimension Supplémentaire d’espace-temps ?
modèle des cordes
- Brisure Dynamique de Symetrie? technicouleur
Stephan 2010 – p. 29/4
• Autres Questions Fondamentales !
♣
Origine des masses
- Boson de Higgs ? necessaire pour confirmer le Modèle
Standard
- Dimension Supplémentaire d’espace-temps ?
modèle des cordes
- Brisure Dynamique de Symetrie? technicouleur
♦ Nature et origine de l’Univers ?
- Pourquoi plus de matière que d’anti-matière ?
(naïvement : 50%-50% !)
- A sa naissance (µsec), l’univers est-il une soupe de quarks et
de gluons (plasma) ?
Stephan 2010 – p. 29/4
• Autres Questions Fondamentales !
♣
Origine des masses
- Boson de Higgs ? necessaire pour confirmer le Modèle
Standard
- Dimension Supplémentaire d’espace-temps ?
modèle des cordes
- Brisure Dynamique de Symetrie? technicouleur
♦ Nature et origine de l’Univers ?
- Pourquoi plus de matière que d’anti-matière ?
(naïvement : 50%-50% !)
- A sa naissance (µsec), l’univers est-il une soupe de quarks et
de gluons (plasma) ?
♠ Réponses au LHC ?
Stephan 2010 – p. 29/4
Exploration de l’Infiniment Petit
➳• La Physique des Hautes Energies (HEP)
par les accélerateurs des particules
Stephan 2010 – p. 30/4
Exploration de l’Infiniment Petit
➳• La Physique des Hautes Energies (HEP)
par les accélerateurs des particules
Stephan 2010 – p. 30/4
➳• Accelerateur des
Particules =
une Grande Tele !
Stephan 2010 – p. 31/4
•
➳ • Avec des Energies plus puissantes mais plus
pacifique que la bombe d’Hiroshima !
(CERN-Geneve, Stanford-USA, DESY-Hamburg, KEK-Japan,...)
LEP-CERN :
collisionneur e+ e−
G. Charpak
Prix Nobel 1992
Stephan 2010 – p. 32/4
➳ • Le tunnel du LEP et du LHC
Tunnel de 27km; 100m au-dessous du sol; Energie de 7000 GeV = 70
fois le LEP = 7 fois le Tevatron (peut fondre 500kg de cuivre); 600
miilions de choc proton/proton par sec et 1017 pendant toute la durée
de l’experience; Côut: 2.6 Milliards d’Euros + 1.2 Milliard pour le
personnel.
Stephan 2010 – p. 33/4
➳• Plan de l’accélerateur du CERN
Stephan 2010 – p. 34/4
➳• Jets de particules dans le detecteur ALEPH du LEP
Stephan 2010 – p. 35/4
➳• e+ e− → γ, Z → Hadrons
B. Richter, S. Ting
Prix Nobel 1976
Stephan 2010 – p. 36/4
➳• Découvertes dans les différents accélerateurs
Stephan 2010 – p. 37/4
➳• Le LHC du CERN
Stephan 2010 – p. 38/4
➳• Coupe du LHC
Stephan 2010 – p. 39/4
➳• Le Detecteur ATLAS du LHC
Stephan 2010 – p. 40/4
Physique au LHC
• Machine à gluons
• Laboratoire pour explorer le proton et tester QCD
• Production des quarks lourds (LHCb)
• p + p → ū + u → Z → b̄ + b
• Mesure du plasma des quarks-gluons (ALICE)
• Vérification de l’hypothèse du Big-bang
• Production du Higgs (ATLAS - CMS)
• p+ p → g+g → H → γ+γ
• Production des particules SUSY (ATLAS - CMS)
• p + p → q̄q → Z → χ1 + χ̄1
• Production de particules exotiques (ATLAS - CMS)
• p + p → ḡ + g → E → e + ν̄e + ...
Stephan 2010 – p. 41/4
Le LHC n’est pas dangereux !
• Radioactivité: evitée grâce à des tonnes de beton:
tunnel à 100m au-dessous du sol.
Stephan 2010 – p. 42/4
Le LHC n’est pas dangereux !
• Radioactivité: evitée grâce à des tonnes de beton:
tunnel à 100m au-dessous du sol.
• Formation de Mini-trou noir ?
• Doit se desintegrer par radiation (Hawkings) et donc
n’est pas dangereux !
• Les rayons cosmiques plus puissants que le LHC ont
attaqué la terre depuis sa formation et nous sommes
toujours là
(1031 experiences LHC depuis la création de l’univers!).
Stephan 2010 – p. 42/4
Retombées Technologiques de HEP !
➳ Recherches Fondamentales
• HEP a pour but ... de comprendre le mécanisme de notre Univers
• ... Mais a aussi des retombées indirectes sur les High-Tech
Stephan 2010 – p. 43/4
Retombées Technologiques de HEP !
➳ Recherches Fondamentales
• HEP a pour but ... de comprendre le mécanisme de notre Univers
• ... Mais a aussi des retombées indirectes sur les High-Tech
• Applications à long terme ... mais souvent utiles:
• Electricité (loi de Maxwell vers 1865)
• Television (un min-accelerateur de particules)
• Medecine: imagerie, traitement du cancer par faisceau de
protons (Orsay)
• Detecteur à fils de G. Charpak (Prix Nobel 1992) pour
controler les containers dans les ports (le Havre, Toamasina, ...)
• Ordinateurs puissants pour faire des calculs complexes
Stephan 2010 – p. 43/4
Retombées Technologiques de HEP !
➳ Recherches Fondamentales
• HEP a pour but ... de comprendre le mécanisme de notre Univers
• ... Mais a aussi des retombées indirectes sur les High-Tech
• Applications à long terme ... mais souvent utiles:
• Electricité (loi de Maxwell vers 1865)
• Television (un min-accelerateur de particules)
• Medecine: imagerie, traitement du cancer par faisceau de
protons (Orsay)
• Detecteur à fils de G. Charpak (Prix Nobel 1992) pour
controler les containers dans les ports (le Havre, Toamasina, ...)
• Ordinateurs puissants pour faire des calculs complexes
• Page Web : inventées au CERN en 1990 pour communiquer des
données entre les groupes experimentaux.
Stephan 2010 – p. 43/4
Retombées Technologiques du LHC
• LHC : un concentré de High-Tech !
• Decouverte de la grille de calculs: mise en réseau de
plusieurs centres de données et calculs
• Transmission à très haut débit: 10 Gigaoctet à comparer
avec 20 Mega pour l’ADSL
• Logiciels qui trient 600 Millions d’événements par seconde
• Utilisation des grand-froids, ultra-vide, electronique rapide,
champ magnétique, supraconducteurs,...
• LHC : une expérience decisive pour l’avenir de la physique :
• On ouvre une porte sans savoir ce qui est derrière
(John Ellis - CERN)
• LHC : crée de l’emploi (chercheurs, ingenieurs, personnels,..) !
Stephan 2010 – p. 44/4
Retombées Geopolitiques du LHC
• LE CERN : 1ere coopération Européenne bien avant l’UE
• LHC : Un bel exemple de collaboration mondiale :
Madagascar va y participer !
Stephan 2010 – p. 45/4
Retombées pour Madagascar ?
➳
Stephan 2010 – p. 46/4
Retombées pour Madagascar ?
➳
• Participation de Madagascar aux expériences du LHCb
[E. Aslanides (Marseille); J.Ellis, A. Golutvin, E. Tsesmelis, (CERN)]
Stephan 2010 – p. 46/4
Retombées pour Madagascar ?
➳
• Participation de Madagascar aux expériences du LHCb
[E. Aslanides (Marseille); J.Ellis, A. Golutvin, E. Tsesmelis, (CERN)]
• Doctorants Malgaches vont dans les écoles d’étè du CERN
et de Trieste depuis 2002
Stephan 2010 – p. 46/4
Retombées pour Madagascar ?
➳
• Participation de Madagascar aux expériences du LHCb
[E. Aslanides (Marseille); J.Ellis, A. Golutvin, E. Tsesmelis, (CERN)]
• Doctorants Malgaches vont dans les écoles d’étè du CERN
et de Trieste depuis 2002
• 5 Doctorants malgaches ont participé à la 1ère Ecole
Africaine de HEP (Afrique du sud 2010)
Stephan 2010 – p. 46/4
Retombées pour Madagascar ?
➳
• Participation de Madagascar aux expériences du LHCb
[E. Aslanides (Marseille); J.Ellis, A. Golutvin, E. Tsesmelis, (CERN)]
• Doctorants Malgaches vont dans les écoles d’étè du CERN
et de Trieste depuis 2002
• 5 Doctorants malgaches ont participé à la 1ère Ecole
Africaine de HEP (Afrique du sud 2010)
• Renforcement de la coopération internationale dans
l’éducation et la recherche en HEP :
bourse USA, CNRS-France,...
• Grâce à votre serviteur !
Stephan 2010 – p. 46/4