Reflets de la Physique n°56 jan/fév/mar 2018
Reflets de la Physique n°56 jan/fév/mar 2018
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°56 de jan/fév/mar 2018

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 4,2 Mo

  • Dans ce numéro : dossier sur Pierre-Gilles de Gennes et l'innovation.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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 » > de transport dans la Galaxie. En tenant compte de ces incertitudes, il est possible d’évaluer la contribution maximale de matière noire acceptable pour de ne pas être au-dessus des données. Et les résultats sont de très grande portée  : s’il est difficile de conclure actuellement sur la nécessité d’une telle contribution, les antiprotons mesurés par AMS-02 et les rayons gamma mesurés par Fermi sont les observables les plus contraignantes aujourd’hui pour la recherche de matière noire. Mais qu’en est-il des positons ? Ces derniers ont défrayé la chronique à plusieurs reprises ces dernières années, et ont été largement médiatisés. En effet, les résultats de la collaboration PAMELA [9], publiés dans la prestigieuse revue Nature en 2009, ont créé le buzz en mettant en évidence une remontée inexpliquée à haute énergie dans la fraction de positons (rapport du nombre de positons sur le nombre total d’électrons et positons). La collaboration AMS a confirmé l’excès de positons (fig. 4), ceci avec une précision inégalée, et en étendant les mesures à plus haute énergie [5]. L’hypothèse d’une contribution issue de l’annihilation de matière noire a rapidement fait surface, mais est-ce bien plausible ? Malheureusement non, pour plusieurs raisons. Tout d’abord, la production de positons par la matière noire prédite théoriquement est 100 à 1000 fois plus faible que l’excès observé. Par ailleurs, si un tel excès était réellement dû à la matière noire, il aurait été naturel que celle-ci se soit également manifestée pour les antiprotons et les rayons gamma, ce qui n’est pas le cas. Mais l’objection majeure tient au fait que dès les années 80, des physiciens avaient prédit cette remontée en tenant compte d’une source additionnelle de positons, les pulsars (des étoiles à neutrons fortement magnétisées en rotation rapide sur elles-mêmes), et cette explication astrophysique paraît plus « naturelle » que l’hypothèse matière noire. Références 7 1 K. Kotera, « Cent ans de rayons cosmiques », Reflets de la physique 32 (2013) 8-13. 2 « Les rayons cosmiques », Revue Élémentaire (CNRS/IN2P3) n°3 (2006), disponible sur http://elementaire.lal.in2p3.fr/n3-telechargeable/3 B. Degrange, « Nouvelles investigations sur l’origine des rayons cosmiques - L’expérience H.E.S.S. », Bulletin de la SFP 151 (2005) 4-10. 30 Reflets de la Physique n°56 Fraction de positons (%) Conclusions 30 Fermi PAMELA 25 AMS-02 20 15 10 5 0 1 10 100 Énergie (GeV) 4. « L’excès » de la fraction de positons. Fraction de positons N e +/(N e + + N e -) en fonction de l’énergie mesurée par AMS-02 (disques violets), comparée aux précédentes mesures de PAMELA (carrés turquoise) et Fermi (triangles orange). La zone vert clair indique la prédiction théorique avec ses incertitudes pour la contribution d’un fond astrophysique purement secondaire, c’est-à-dire d’électrons et de positons uniquement issus de réactions nucléaires avec le milieu interstellaire. L’augmentation observée expérimentalement à haute énergie n’est pas compatible avec cette contribution seule  : s’il est tentant de vouloir chercher une explication en termes de matière noire, l’explication la plus naturelle est celle de positons accélérés dans des pulsars proches. Construire et installer un détecteur complexe sur la station spatiale internationale est une prouesse technologique. Après six ans de prise de données, les résultats obtenus sont incroyables de précision et feront référence pour plusieurs décennies. La surprise majeure a été l’observation d’une brisure spectrale dans la composante nucléaire du rayonnement cosmique galactique. À ce jour, l’interprétation des mesures d’AMS-02 pour les positons et les antiprotons ne donne pas d’indication claire en faveur de la matière noire. Cependant, la question reste débattue ; la quête de la matière noire continue également avec la recherche d’antideutérons. Par ailleurs, le potentiel d’AMS-02 n’est pas encore complètement exploité, puisque les flux de la plupart des éléments et les rapports isotopiques n’ont pas encore été publiés. Prévu jusqu’en 2024, AMS-02 va continuer de jouer un rôle moteur et fondamental dans la discipline. ❚ 4 O. Deligny et T. Suomijärvi, « Les rayons cosmiques d’énergie extrême », Reflets de la physique 43 (2015) 31-37. 5 AMS collaboration, Phys. Rev. Lett. 113 (2014) 121101 (fraction de positons), 113 (2014) 121102 (flux d’électrons et de positons), 114 (2015) 171103 (flux de protons), 115 (2015) 211101 (flux d’hélium), 117 (2016) 091103 (flux d’antiprotons) et 117 (2016) 231102 (rapport bore/carbone). (a) Dans le domaine du rayonnement cosmique, les flux ne sont pas toujours exprimés en fonction de la même unité d’énergie. Alors qu’aux très hautes énergies les flux sont souvent exprimés en fonction de l’énergie totale (eV ou GeV), quantité mesurée dans les détecteurs, l’énergie cinétique par nucléon (GeV/n) a été préférée historiquement aux plus basses énergies. En réalité, les processus d’accélération et de diffusion dépendent des champs magnétiques et donc de la charge des particules, et il est plus naturel d’exprimer les processus astrophysiques associés en fonction de la rigidité en gigavolts (GV), quantité qui est aussi reconstruite dans le détecteur AMS-02. À des facteurs numériques près, toutes ces représentations sont équivalentes au-delà de quelques dizaines de GeV. (b) La théorie de l’accélération de particules dans les ondes de chocs via les mécanismes dits de Fermi [3] prévoit une loi de puissance quasi universelle en R -α, avec α 2. D’autre part, les prédictions pour la diffusion dans les champs magnétiques turbulents prévoient une dépendance R δ, avec δ 0,3 à 0,5 (turbulence de type Kolmogorov ou Kraichnan). Dans l’équation de diffusion qui régit la propagation du rayonnement cosmique, la solution pour les noyaux est grossièrement donnée par le spectre source divisé par la diffusion, soit une loi de puissance R -(α+δ), qui doit atteindre une pente de 2,8 pour reproduire les données (voir fig. 1). 6 F. Combes, « La matière noire, une sombre affaire », Reflets de la physique 51 (2016) 4-10. 7 M. Stern, « Edelweiss à la recherche de la matière noire », Bulletin de la SFP 155 (2006) 15-20. 8 A. Zabi et N. Morange, « Une nouvelle ère pour le LHC », Reflets de la physique 52 (2017) 28-30. 9 O. Adriani et al., «An anomalous positron abundance in cosmic rays with energies 1.5-100 GeV», Nature 458 (2009) 607.
Une meilleure compréhension de la genèse des idées d’Einstein de 1905 passe par une reconstruction de l’environnement scientifique et des modes et lieux de travail du jeune Albert en Italie, à Pavie et à Milan, entre 1895 à l’âge de seize ans et 1901. Nous portons notre attention dans cet article sur l’année 1901 et la thèse sur les forces moléculaires qu’il abandonne, avant de se tourner vers la thermodynamique statistique en 1902. Michele Besso et Mileva Marić, deux témoins de la genèse des idées d’Einstein Il est bien connu que l’année 1905 voit Albert Einstein, tout juste âgé de vingt-six ans, expert technique au bureau des brevets et de la propriété intellectuelle à Berne, publier plusieurs articles qui feront date dans l’histoire de la physique, comme ceux sur les quanta lumineux et la relativité restreinte. C’est aussi l’année où il soumet sa thèse sur une nouvelle détermination des dimensions moléculaires qu’il applique aussitôt à l’étude du mouvement brownien. 1905 apparaît donc comme une « année miraculeuse » [1], d’autant plus que ses travaux, portant de 1902 à 1904 sur la thermodynamique statistique, ne laissaient pas entrevoir Histoire des sciences Les années italiennes du jeune Einstein La thèse oubliée sur les forces moléculaires Christian Bracco (1) (Christian.Bracco@obspm.fr) et Jean-Pierre Provost (2) (Provost@unice.fr) (1) Syrte (Observatoire de Paris, PSL Research University, CNRS, Sorbonne Univ., UPMC, LNE) 61 avenue de l’Observatoire, 75014 Paris (2) Professeur retraité, Université de Nice Sophia-Antipolis Le jeune Albert Einstein en quelques dates directement cet aboutissement. Or, si ses réflexions cristallisent en 1905, elles ont été l’objet de questionnements antérieurs comme Einstein l’a dit lui-même au sujet de la relativité et des quanta. Quant à sa thèse de 1905, elle prend le contrepied d’une thèse entamée fin 1900 puis abandonnée début 1902, qui portait sur les forces moléculaires en faisant l’hypothèse que la taille des molécules ne jouait pas de rôle. Pour mieux comprendre ces questionnements, il convient de revenir sur les années de formation du jeune Einstein, qui peuvent être retracées à travers sa correspondance avec Michele Besso, son ami, et Mileva Marić, sa future femme. Rappelons qu’il rejoint fin 1894 sa famille qui se partage entre Pavie et Milan (a) et qu’il intègre en 1896 l’École polytechnique fédérale de Zurich (ETH) dont il sort diplômé en 1900. Nous renvoyons à un 1895 Pavie, tentative d’intégration à l’âge de seize ans de l’ETH de Zurich. 1896 Admission après une année à Aarau pour terminer ses études secondaires. 1900 Diplôme de l’ETH obtenu avec H.-F. Weber sur les phénomènes thermiques. 1900-1901 Travail de thèse sur les forces moléculaires et recherche d’un poste d’assistant. 1896-1901 Séjours réguliers à Milan. 1902 Obtention d’un poste d’expert technique au bureau des brevets de Berne. 1902-1904 Travaux sur les fondements cinétiques et statistiques de la thermodynamique. 1905 Annus mirabilis. » > Reflets de la Physique n°56 31



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