Clefs n°58 Automne 2009
Clefs n°58 Automne 2009
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°58 de Automne 2009

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 168

  • Taille du fichier PDF : 7,3 Mo

  • Dans ce numéro : dans les secrets de l'Univers.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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80 L’astrophysique et l’exploration de l’Univers Pourra-t-on créer un jour de la matière noire au LHC ? Pour répondre aux questions les plus fondamentales de la physique, le Cern (Organisation européenne pour la recher - che nucléaire) a mis en service, en 2008, le grand collisionneur de hadrons (LHC). En tant que pays hôte, la France a participé à sa construction par l’intermédiaire de ses deux plus importants organismes de recherche : le CNRS et le CEA. Au sein de ce grand instrument, les physiciens travaillent à provoquer des collisions entre faisceaux de protons de 7 TeV (soit 7 000 GeV) d’énergie, observées par deux grandes expériences généralistes : • ATLAS (pour A Toroidal LHC Appa ratus) : il s’agit d’un des deux plus grands et plus complexes détecteurs construits à ce jour. Cette expérience de physique auprès du LHC est menée par une collaboration mondiale de scientifiques (1 800 physiciens et ingénieurs issus de 150 laboratoires de 34 pays différents) pour trouver le boson de Higgs, s’il existe (figure 1), ou d’autres nouvelles particules.• CMS (pour Compact Muon Solenoid), l’autre grand détecteur, poursuit les mêmes buts scientifiques qu’ATLAS mais avec d’autres options techniques. Deux autres programmes poursuivent une recherche spécifique : • Alice (pour A large ion Collider Experi - ment) tentera de recréer, en laboratoire, les conditions qui régnaient juste après le Figure 1. Simulation d’un événement mettant en jeu la « supersymétrie » dans l’expérience Atlas : vue transverse à l’axe des faisceaux. Dans cet événement, deux LSP et deux jets de particules ordinaires ont été produits. Les LSP ne sont pas détectés directement mais le bilan des impulsions montre un déficit : il manque « quelque chose » du côté gauche ; ce bilan permet de caractériser leur présence. Les axes sont simplement géométriques : X, Y et leur unité en mètre : X (m) et Y (m). CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 CEA big bang et ainsi étudier l’évolution de la matière de la naissance de l’Univers à nos jours.• LHCb (pour Large hadron Collider beauty) essaiera de comprendre pourquoi nous vivons dans un Univers apparemment constitué entièrement de matière, sans aucune présence d’antimatière. L’énergie des collisions du LHC (14 TeV, soit 7 fois plus que le collisionneur précédent, actuellement en service aux États-Unis) contribuera à l’exploration com plète de l’échelle d’énergie couvrant les alentours de 1 TeV, une échelle clé dans le Modèle standard. Le premier objectif des expériences conduites au LHC reste la découverte du mystérieux boson de Higgs ou de ce qui en tient lieu pour l’unification des interactions électromagnétique et faible. Mais aujourd’hui, de nouvelles théories ouvrent un cadre plus large que le Modèle standard pour essayer de répondre aux questions que celui-ci laisse en suspens, notamment sur la nature du fameux boson de Higgs, mais aussi de la matière noire et de l’énergie noire. Toutes ces questions semblent, en effet, reliées par une interrogation centrale : quelle est l’origine de la masse des particules ? Pour l’énergie noire, les chercheurs se heurtent à un obstacle majeur : au regard des connaissances actuelles sur les particules élémentaires, le calcul de sa densité dans l’Univers donne un résultat beaucoup trop grand, des milliers de fois supérieur à l’observation ! En revanche, la situation semble plus favorable pour la compréhension de la matière noire. En effet, les mesures cosmologiques pointant vers des particules massives qui interagissent faiblement, leur échelle de masse « typique » serait d’environ 100 GeV, soit l’échelle d’unification du Modèle standard. Il semble donc naturel de conclure que la matière noire et l’unification électrofaible partagent une origine commune. Dans cette éventualité, de telles particules pourraient être produites par le LHC. C’est ce que prédit, par exemple, l’une des nombreuses théories avancées pour dépasser le Modèle standard, et sans doute la plus connue, à savoir celle de la « supersymétrie », proposée dans les années 1970 mais demeurée hypothétique. De nombreuses versions existent mais, de façon générale, la LSP (pour Lightest Super symmetric Particle), particule super symétrique la plus légère, ferait une excellente « candidate ». Ainsi, grâce à son énergie et sa luminosité élevées, le LHC pourrait prochainement L’expérience Alice, dédiée à l’étude de la matière dans ses états extrêmes. mettre en évidence la supersymétrie. Le point commun entre les différents types d’événements prédits par les théories de supersymétrie réside dans le fait qu’il existe, dans le bilan de la collision, un manque d’énergie (transverse), empor tée par une ou plusieurs LSP. Les chercheurs espèrent observer rapidement ces événements manquant d’énergie transverse. Comparé au bruit de fond du Modèle standard, le moindre excès constaté serait alors favorable à la théorie de la supersymétrie. De façon similaire, d’autres théories (dimensions supplémentaires, axions, etc.) prédisent que si la matière noire et l’unification électrofaible partagent la même origine, alors il existe une chance tangible pour que le LHC produise la, ou les particules constitutives de la matière noire de l’Univers. > Bruno Mansoulié Service de physique des particules (SPP) Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) Direction des sciences de la matière (DSM) CEA Centre de Saclay (Gif-sur-Yvette) P.Stroppa/CEA
2. L’Univers sous la domination de l’énergie noire Astrophysique et observation de l’énergie noire Une des plus grandes surprises de la cosmologie moderne restera, sans nul doute, la découverte de l'accélération de l'expansion de l'Univers, due à ce que les chercheurs nomment énergie noire. Son existence a été confirmée par les résultats majeurs apportés par le télescope Canada-France-Hawaii (CF HT) auquel les équipes de l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) ont contribué tant au plan instrumental que dans l’analyse des données. Télescope Canada-France-Hawaii (à droite sur la vue). Du big bang à l’expansion accélérée de l’Univers Au XX e siècle, la cosmologie a considérablement progressé grâce aux observations qui ont conduit à la découverte de l’expansion de l’Univers et du fond diffus cosmologique, ainsi qu’à l’accord entre les mesures et les prédictions pour les abondances des éléments légers. Ainsi, étape par étape, ces observations contribuent-elles à valider le modèle du big bang (encadré 1). Ce qui ne signifie pas que tous ses secrets en soient dévoilés pour autant puisque d’autres observations laissent supposer l’existence d’une matière noire dans l’Univers dont la nature demeure pour l’instant inconnue. À ce mystère s’en ajoute un autre. En raison de l’attraction universelle, l’expansion de l’Univers devrait Les étapes principales du modèle du big bang Associé à la relativité générale d’Albert Einstein et à la physique nucléaire, le modèle du big bang fait naître l’Univers d’une singularité initiale : l’ex - plo sion d’un grain de matière dense et chaud. D’où une expansion au cours de laquelle l’Univers se serait dilaté régulièrement et refroidi, condition pour que s’opère la synthèse des premiers noyaux atomiques (hydrogène et hélium) produite essentiellement dans les trois premières minutes après le big bang. À cette étape, dite de la nucléosynthèse primordiale, succéda une période d’équilibre entre la matière et le rayonnement dont l’effet fut de détruire les édifices atomiques plus complexes dès leur création par la matière. Après 380 000 ans environ, l’Univers se trouvant suffisamment refroidi et la formation des atomes n’étant plus contrariée par le rayonnement, la matière et le rayonnement se sont alors découplés pour suivre des évolutions différentes. Ainsi libéré, le rayonnement a traversé l’Univers où il subsiste encore sous la forme de rayonnement fossile à basse énergie, appelé fond diffus cosmologique. Quant à la matière, sous l’effet de l’attraction universelle, ses atomes se sont regroupés en de gigantesques nuages gazeux. En s’effondrant, ils donnèrent naissance aux premières étoiles, puis aux premières galaxies, 600 millions d’années après le big bang. L’effet de l’explosion initiale se fait toujours sentir sur ces objets qui s’éloignent les uns des autres avec une vitesse proportionnelle à leur distance. C’est en comparant les distances et les vitesses (déduites des mesures de luminosité et de décalage spectral) de plusieurs dizaines de galaxies, qu’Edwin Hubble découvrit, en 1929, que l’Univers était en expansion : les galaxies s’éloignent de nous avec une vitesse proportionnelle à leur distance. À partir de cette loi, on peut déduire l’âge de l’Univers : 13,8 milliards d’années environ. 1 ESA/NASA CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 81 Jean-Charles Cuillandre/CF HT



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