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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88 L’astrophysique et l’exploration de l’Univers Asymétrie matière-antimatière de l’Univers Étoiles, galaxies, amas… Toutes les structures observées se composent de baryons(protonset neutrons) et d’électrons, c’est-à-dire de matière, sans présence significative d’antimatière. Cette asymétrie matière/antimatière se mesure par le rapport de la densité de baryons à la densité de photons, n B/n = (6,21 ± 0,16).10 -10, qui décrit l’asymétrie baryonique de l’Univers. On la détermine par deux méthodes indépendantes. La première repose sur la mesure des abondances des éléments légers D, 3 He, 4 He et 7 Li qui sont prédites en fonction du paramètre par la nucléo synthèse. Le fait qu’il existe un même intervalle de valeurs de compatible avec les abondances de ces quatre éléments (= (4,7 – 6,5).10 -10) demeure l’un des grands succès de la théorie du big bang. La deuxième mesure de, plus précise, est extraite des anisotropies du rayonnement cosmique de fond, et correspond à la valeur donnée plus haut. La remar quable concordance de ces deux mesures représente un autre grand succès de la théorie du big bang (figure 1). Petit en apparence, le paramètre s’avère, en réalité, très grand. Pour le comprendre, supposons, dans un premier temps, que l’Univers contienne initiale ment le même nombre de baryons et d’anti baryons. Dans ce cas, leur anni hi lation mutuelle conduirait à n B/n 10 -19, bien en dessous de l’asymétrie baryo nique observée. Cette dernière pourrait-elle alors s’expliquer par un excès de baryons sur les antibaryons au (1) Andreï Sakharov (1921-1989), physicien nucléaire russe et militant des droits de l’Homme, prix Nobel de la paix en 1975. CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 la terre n’occupe pas de position privilégiée dans l’Univers, serait lui aussi remis en cause : autant refonder toute la cosmologie à partir des espaces de Tolman-Bondi (3) (et non plus de Friedmann- Lemaitre (4)) dont la principale caractéristique est d’avoir une courbure variant spatialement autour d’un centre qui occupe une position particulière dans l’Univers. Il s’agit de scénarios qui ne sont pas encore (3) Richard Tolman (1881-1948), physico-chimiste et cosmologiste américain qui fut le premier à s’intéresser aux perturbations cosmologiques. Herman Bondi (1919-2005), mathématicien autrichien connu pour avoir développé la théorie équilibrée de l’Univers. (4) Alexandre Friedman (1888-1925), physicien et mathématicien russe, et Georges Lemaître (1897-1960), astrophysicien belge, sont deux des pères de la théorie de l’expansion de l’Univers. moment du big bang ? Cette hypothèse se heurte à deux objections. Première ment, il faudrait ajuster finement (à 10 -9 près) les densités initiales de baryons et d’anti - baryons. Ensuite, il faudrait supposer que l’Univers n’a pas connu de phase d’infla - tion, contrairement à ce que suggèrent les observations (l’inflation a pour effet d’effacer toute mémoire des conditions initiales). Or, si l’asymétrie baryonique n’est pas due aux conditions initiales, elle doit avoir été créée dyna mi quement au cours de l’histoire de l’Univers : c’est ce que l’on nomme la baryogenèse. En 1967, Andreï Sakharov (1) montrait que trois conditions devaient être réunies pour qu’elle puisse avoir lieu : l l’existence de processus ne conservant pas le nombre total de baryons ; là l’équilibre thermique, les processus créant des baryons se produisent au même taux que les processus inverses qui détruisent la symétrie créée par les premiers : il faut donc un écart à l’équilibre thermique ; l à tout processus créant des baryons est associé, par ce que les physiciens des particules appellent « conjugaison de charge » (C) et « conjugaison de char ge-parité » (CP), un processus « miroir » créant des antibaryons ; pour qu’une asymétrie baryonique subsiste, ces deux processus doivent avoir des taux dif férents, ce qui nécessite une violation de C et de CP au ni veau des interactions entre les par - ticules. Fait remarquable, les conditions énon cées par Andreï Sakharov se trouvent satisfaites dans le Modèle standard de la physique des particules. En effet, certains processus connus sous le nom de sphalérons ne complètement exploités et demeurent parcellaires. Au final, il existe une autre hypothèse sousjacente dans l’interprétation de l’accélération de l’Univers. Elle se base sur les quatre dimensions de l’espace-temps. D’abord, dès les années 1920, Kaluza et Klein ont introduit une cinquième dimension et ainsi tenté d’unifier la relativité générale et l’électromagnétisme. Plus tard, la théorie des cordes a introduit, à son tour, dix ou onze dimensions suscitant deux types de modèles. Le premier d’entre eux suppose que notre Univers figure le bord (appelé brane) d’un espace à cinq dimensions. Si cette hypothèse se trouvait avérée, alors l’énorme énergie du vide, due aux fluctuations quantiques sur la brane, aurait pour effet de courber la cinquième dimension en laissant une infime trace qui conduirait à l’accélération de l’Univers. Très prometteur, ce conservent pas le nombre de baryons ; les symétries C et CP sont violées par les interactions responsables de la désin - tégration bêta ; l’écart à l’équilibre thermique survient lors de ce que l’on appelle la « transition de phase élec - trofaible », c’est-à-dire la période de l’histoire de l’Univers au cours de laquelle les particules acquièrent leur masse. Le scénario de baryogenèse corres pondant, connu sous le nom de « baryogénèse élec - trofaible », échoue néan moins à engen drer le niveau d’asymétrie baryonique observé, la violation de CP et l’écart à l’équilibre thermique étant trop faibles. Il faut alors recourir à une nouvelle physique au-delà du Modèle standard qui fait, par ailleurs, l’objet d’actives recherches dans les collisionneurs. Actuellement, les théoriciens étudient deux classes de scénarios. Dans la première, la nouvelle physique affecte la transition de phase électrofaible et permet ainsi d’obtenir l’écart nécessaire à l’équilibre thermique. Dans la seconde, l’asymétrie baryo nique est créée avant la transition élec trofaible. Par exemple, dans le scénario de leptogenèse, la désintégration des neutrinos lourds (par ailleurs impliqués dans la génération des masses des neutrinos du Modèle standard) engendre une asymétrie leptonique qui est ensuite partiellement convertie en asymétrie baryonique par les sphalérons. > Stéphane Lavignac Institut de physique théorique (Unité de recherche associée au CNRS) Direction des sciences de la matière (DSM) CEA Centre de Saclay
scénario se heurte néanmoins à la présence de singularités de l’espace-temps. Le deuxième modèle pressenti envisage que la gravité se propage à la fois sur la brane et dans la cinquième dimension. Elle s’en trouverait alors modifiée à longue distance. Comme dans les théories à quatre dimensions, ce modèle souffre d’une instabilité du vide. La construction de théories incluant des dimensions supplémentaires n’a donc pu encore fournir la clé de l’accélération de l’Univers. Ce recensement des explications de l’accélération de l’Univers atteste de la difficulté que présente l’élaboration d’une théorie physique de ce phénomène. Néanmoins, de la confrontation de ces dif - férentes hypothèses en présence, pourraient bien jaillir de grandes avancées dans la com pré hension des liens entre cosmologie, gravitation et physique 7 Li/Hp Yp 0,27 0,26 0,25 0,24 0,23 10 -3 10 -4 10 -5 10 -9 5 2 10 -10 0,005 4 He D/Hp 3 He/Hp 1 2 des particules. Mais à ce jour, le mystère de l’accélération de l’Univers reste entier. Le problème de l’accélération de l’Univers est étudié à l’Institut de physique théorique situé sur le centre du CEA à Saclay. Son lien avec les théories de particules, la théorie des cordes et la gravité y est analysé. La présence, à Saclay, d’équipes de physiciens des particules et d’astrophysiciens engagés dans des programmes expérimentaux sur l’accélération de l’Univers représente un atout. Ceci permet un dialogue régulier entre expérimentateurs et théoriciens. 0,01 0,02 0,03 3 4 5 6 7 8 9 10 (en unités de 10 10) BBN CMB > Philippe Brax Institut de physique théorique (Unité de recherche associée au CNRS) Direction des sciences de la matière CEA Centre de Saclay Figure 1. Abondances des éléments légers 4 He (conventionnellement notées Y p), D, 3 He et 7 Li prédites par la nucléosynthèse dans le cadre de la théorie du big bang (BBN en anglais), en fonction du paramètre en unités de 10 10. Les rectangles horizontaux indiquent les abondances observées avec leurs incertitudes expérimentales (petits rectangles : erreur statistique ; grands rectangles : erreurs statistique et systématique). Les bandes verticales correspondent à la valeur de tirée des abondances observées (hachures oranges) et des anisotropies du rayonnement cosmique de fond (CMB en anglais ; hachures bleues). CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 89



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