Biographie d’un grand cuisinier d’atomes:

l’Univers

Joseph RemillieuxProfesseur émérite, Université Claude Bernard Lyon1

Institut de Physique Nucléaire de Lyon

Communication à l’Académie des Sciences , Belles-Lettres et Arts de LyonPalais Saint-Jean, le 12 mars 2013

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Bibliographie

• après avoir consulté:Genesis,De rerum natura Μαθηματική σύνταξις (Almageste)

• j’ai choisi d’utiliser une œuvre récente

Universa Descriptio Le Modèle Standard 

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Acte de naissance du Cuisinier

• Il est né sous X– il y a 13,7 milliards d’années, en un lieu indéfini– de parents inconnus

• des dieux ou d’un Dieu, du Vide Quantique … ou de lui-même?

– il a sans doute des frères et sœurs ?• au sein de la famille des Multivers

• Il fut accouché– par une fluctuation quantique– qui l’aida à franchir le « mur de Planck »

• en moins de 10-43 seconde !

– et à expérimenter la « Grande Unification »• de toutes les forces de la Nature … pendant 10-11 seconde

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La légende de ses premiers cris

et de sa première recette• Sous l’effet d’une fièvre extrême (1019 GeV)

cet enfant prodige aurait eu une croissance explosive – on parla d’une « grande inflation »

• On prétend aussi qu’en moins de 10-12 seconde il réussit sa première recette, la soupe primordiale– à partir d’ingrédients de matière et d’antimatière:

• quarks, gluons, photons, électrons, neutrinos … et une pincée de « matière noire », encore non-identifiée

– température de dégustation conseillée:– quelques centaines de milliards de degrés

4

Dans sa réserve, il n’avait alors en rayon que 6 quarks, 6 leptons, 6 bosons

… et leurs antiparticules !

126 GeV ?

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Le secret de sa soupe primordiale

• Ce bouillon était de constitution éphémère– car toute particule rencontrant son

antiparticule• disparaissait immédiatement dans un flash de

lumière

• le talent de notre jeune Chef – fut alors de réussir à sauvegarder un résidu de

matière • après que toute l’antimatière ait été annihilée

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Soupe primordiale

de quarks et

de gluons

Soupe primordiale

de quarks et

de gluons

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Pour les marmitons, une seule unité !

A partir des trois relations: •E = ½ kT– Boltzmann 1873

•E = hν– Planck 1900

•E = c2m– Einstein 1905

Le Chef demanda à ses marmitons de tout exprimer en unité d’énergie:

l’électron-Volt (eV)8

Masses et Températures en eV

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Une seconde plus tard:sa seconde recette

• la soupe s’étant brutalement refroidie – de 1015 GeV à 1 MeV !

• il appliqua les recettes de la Chromo - Dynamique - Quantique pour condenser quarks et gluons– en nucléons: protons et neutrons

(instables)

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Recettes de cuisine « hadronique »

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Plasma hadronique de nucléons

Protons et Neutronsaux trois saveurs

de neutrinos

Plasma hadronique de nucléons

Protons et Neutronsaux trois saveurs

de neutrinos

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Aussitôt, sa troisième recette: la fusion primordiale

• Echec de sa première tentative– sa soupe de protons étant encore très chaude,

il tenta de produire des diprotons • par fusion thermonucléaire

– mais la morale quantique lui rappela que cette union était interdite• car elle violait le principe d’exclusion de Pauli

• Il lui fallut alors attendre … longtemps– la transformation spontanée de protons en neutrons

• par radioactivité β p -> n + e + + ν

• Il put alors synthétiser des deutons – puis réussir la fusion (p,d) en 3He – puis la fusion (3He, 3He) en 4He

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Nucléosynthèse primordiale de l’hélium

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la très chaude fusion de deux noyaux

r

eZZ

0

221

4

5.10-13 cm

Ep

rr

Fusion chaude

Fusion froidepar effet tunnel

Température

Z1 Z2

r

Bilan de cette recette primordiale

• Au bout de 200 secondes: arrêt de la fusion car la soupe est trop froide– pour que la barrière puisse être franchie

• Ce brouet tiède, est un plasma de noyaux et d’électrons, essentiellement composé de – 75% de noyaux d’hydrogène– 25% de noyaux d’hélium… c’est la composition actuelle du Cosmos !

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Délice nucléaire primordial

d’hydrogène et d’hélium

avec ses effluves dedeutérium, lithium et

béryllium

Délice nucléaire primordial

d’hydrogène et d’hélium

avec ses effluves dedeutérium, lithium et

béryllium

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Sa quatrième recette « atomique »

… en un éclair de génie• Le Chef prit alors 380 000 ans de repos !– en attendant que son plasma refroidisse à 3 000°K

• les noyaux capturèrent alors tous les électrons disponibles pour former des

atomes d’hydrogène et d’hélium– selon les recettes de l’Electro – Dynamique -

Quantique• De ce gaz sans électrons libres, les photons

purent soudainement s’échapper– le sombre brouet du Chef émit alors

un flash de lumière à 3 000 °K– cet éclair de génie fit passer le jeune Chef de l’ombre

à la lumièreSon flash est encore visible aujourd’hui à 3°K … car le

Cosmos est en expansion !

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Eclairdu fond diffus cosmologique

sur son gaz atomique d’hydrogène et

d’hélium

Eclairdu fond diffus cosmologique

sur son gaz atomique d’hydrogène et

d’hélium

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Le refroidissement éternel évité à quelques « catons »

prèsAprès cet éclair de génie, le Chef aurait pu assister au refroidissement éternel de son gaz primordial …•Mais il exploita habilement quelques fluctuations quantiques

– qu’il avait mijotées en touillant sa soupe primordiale– les « catons » (grumeaux) devinrent par gravité

• des lieux d’effondrements très denses et très chauds• atteignant de nouveau les températures de la fusion nucléaire

•La froide cuisine devint une pouponnière d’étoiles

A l’âge de 400 millions d’années, le Chef venait d’obtenir sa première

•L’espérance de vie et le destin, plus ou moins dramatique, de ces étoiles va désormais dépendre de leur masse

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Recette pour la création d’une étoile

21Salvador Dali

La Cuisine se peupla d’ une batterie de chaudrons stellaires

… aux destins divers

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Recette pour la cuisson d’un noyau de Z protons et N

neutrons• Pour les noyaux légers, il faut N = Z• Pour les noyaux lourds, il faut N > Z• Le nombre maximum d’isotopes possibles – est limité ( modèle de la goutte liquide )

• La structure quantique en couches de nucléons– prévoit l’existence de noyaux magiques très stables

En fait, les noyaux créés par nucléosynthèse– sont le plus souvent instables– mais ils peuvent être stabilisés par radioactivité

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Les thérapies radioactives du Chef

• Si le noyau souffre d’un excès de protons– prescription: radioactivité β+ p -> n + e+ + νe

• S’il souffre d’un excès de neutrons– prescription: radioactivité β- n -> p + e- + anti-νe

• S’il souffre d’un excès de poids– prescription légère: radioactivité α (noyau 4He)– dans les cas les plus graves, envisager la fission

nucléaire• Durées des traitements (durées de vie)

– de la microseconde au milliard d’années !

Polythérapie réservée aux noyaux les plus exotiques:– une cascade de désintégrations radioactives

pour les aider à rejoindre la « Vallée de Stabilité »24

Le Nirvana des noyaux: le fond de la Vallée de Stabilité

25

290 noyaux sont stables7000 sont possibles (radioactifs) - dont 2500 déjà identifiés

2H1H

3He 4He6He

808 ms

8He119 ms

6Li 7Li8Li

840 ms

9Li179 ms

11Li8.5 ms

7Be 9Be10Be

1.6 106 y

11Be13.8 s

12Be23.6 ms

14Be4.35 ms

10B 11B12B

20.20 ms

13B17.33 ms

14B13.8 ms

15B10.4 ms

8B770 ms

n10.25 m

3H12.323 y

9C125 ms

10B19.3 s

11C20.4 m

12C 13C14C

5730 y

15C2.45 s

16C0.747 s

17C193 ms

12N20.4 m

13N20.4 m

14N 15N

16O 17O 18O

19F

13O8.58 ms

14O70.6 s

15O2.03 m

17F64.8 s

18F109.7 m

16N7.13 s

17N4.17 s

18N0.63 s

19O27.1 s

20F11 s

Noyaux:

- Stables

- Riches en protons

- Riches en neutrons

N

Z

26

Un rêve: atteindre l’ilôt des noyaux super lourds

Dr. Andrey G. Popeko27

La « Table des Eléments » du cuisinier chimiste

28

La course vers l’ilôt de stabilité Z Nom de baptême

105 Dubnium Db106 Seaborgium Sg107 Bohrium Bh108 Hassium Hs109 Meitnerium Mt110 Darmstadtium Ds111 Roentgenium Rg112 Copernicium Cn113 Ununtrium (Uut)114 Ununquadium (Uuq)115 Ununpentium (Uup)116 Ununhexium (Uuh) 117 Ununseptium (Uus)118 Ununoctium (Uu0)

2012, Japonium ?

Baptême le 7 sept 1992 à Darmstadt

29

L’art de la fusion des noyauxà feu doux, en cœur d’étoile

• Dès que la température atteint 10 millions de degrés– la fusion de l’hydrogène s’amorce• l’étoile devient lumineuse• atteint un équilibre mécanique entre

– les forces de gravité et la pression de radiation

• le combustible hydrogène est lentement transformé en hélium par le cycle primordial pp

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Pour les grosses étoiles, le Chef invente une recette

catalytique• Si l’étoile contient déjà des noyaux légers– la fusion « catalytique » permet de

cuisiner l’hélium, selon le cycle CNO

Combustible: 4 protons

Cendre: 1 noyau d’ hélium

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L’art d’utiliser les restes la fusion des cendres

• En panne de combustible hydrogène – l’étoile s’effondre, et s’échauffe: 100 millions de

degrés– la fusion des cendres (noyaux d’hélium) s’amorce

• et produit des noyaux de Béryllium, puis de Carbone et d’Oxygène

• Lorsque toutes ces cendres sont brûlées– et après effondrement, il fait 1 milliard de degrés

• la fusion s’amorce entre noyaux de Carbone puis de Néon et d’Oxygène

Le dernier effondrement est pathétique• Il fait 3 milliards de degrés, la fusion du Silicium est possible• tous les éléments sont alors produits, jusqu’au Fer• mais l’étoile est en fin de vie, car elle ne peut plus rien

fusionner sans apport d’énergie 32

33

En fin de cuisson (fusion): l’oignon du Chef

Salade d’atomes semi-légers

Grand choix parmi 56 éléments

jusqu’au Fer

Préparés par fusion douce

en cœur d’étoiles

Salade d’atomes semi-légers

Grand choix parmi 56 éléments

jusqu’au Fer

Préparés par fusion douce

en cœur d’étoiles

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Que faire après le Fer ?De la cuisine exotique !

• Le Chef doit abandonner ses recettes fusionnelles– car au delà du Fer la fusion consommerait de

l’énergie !

• Pour cuisiner des éléments plus lourds que le Fer– Il faudra d’autres chaudrons pour mettre en jeu des

recettes• plus chaudes, plus complexes, parfois même explosives• entre noyaux plus ou moins  exotiques 

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Quel avenir pour ces « géantes rouges » ?

36

Deux fins de vie sont possibles

• Pour les plus petits chaudrons (ex. notre Soleil)– C’est une retraite astrale modeste et paisible

• après une très longue vie active, ils s’effondrent en étoiles naines

• Pour les plus gros chaudrons– après une courte période d’activité « normale »– ils amorcent une seconde vie, éphémère et super-active

• sous forme de Novae très lumineuses• ou de Super Novae explosives, dont les résidus seront des

Etoiles à Neutrons ou des Trous Noirs

C’est dans ces chaudrons explosifs que le Chefva réussir à cuisiner les atomes les plus lourds

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La suractivité nucléaire des Novae

• Privée d’énergie de fusion, la géante rouge s’effondre – en son cœur implosé, la densité atteint celle des noyaux !

• Une multitude de nouveaux isotopes lourds sont alors créés– par captures rapides de neutrons (processus R)

ou de protons ( processus RP)• L’énergie nucléaire dégagée est telle que

– le chaudron devient une supernova qui explose – durant cette explosion une multitude de fusions et de fissions

• achève la synthèse des noyaux très lourds, du Plomb à l’Uranium• l’onde de choc de l’explosion inonde de noyaux lourds toute la

cuisine

Le Chef n’a plus qu’à collecter ces fumets lourdsautour du chaudron explosé

38

39 Nombre de neutrons

Nom

bre

de p

roto

ns

Capture rapide de neutrons

Qu’advient-il des cendres du chaudron-supernova

explosé ?Les cendres résiduelles sont de densité extrême•soit leur masse est suffisante pour « percer l’espace-temps »– le chaudron devient alors un trou noir

• « noir », car même la lumière ne parvient pas à en sortir

•soit leur masse n’est pas suffisante– une étoile à neutrons apparaît alors

• c’est un petit chaudron des plus étrangesoù coexistent noyaux et particules élémentaires (quarks)

• la croûte de ces étoiles est si riche en noyaux lourds …

… que certains suspectent le Chef d’attendre une collision entre ces objets, pour en récupérer quelques débris 40

Croûte et cœur d’une étoile à neutrons

41

Au coeur des étoiles à neutrons: retour vers la soupe

du Big Bang !

42

Le Chef s’exerce aux recettes de la Chimie Interstellaire

• Disposant de plus de 3000 isotopes, il s’essaya à la cuisine moléculaire– dans les nuages denses interstellaires– et à la surface des grains de poussières

• Il synthétisa d’abord des molécules simples– diatomiques, puis composées d’une dizaine

d’atomes– inorganiques, puis organiques

Il mit alors à sa carte, plus de 160 moléculesdont les fameuses briques pré biotiques

43

44

Soupe primordialeGrillade d’atomes

légers sur lit de fusion douce

Pavé de Ferextrait du fond

de la Vallée de StabilitéIle flottante

d’éléments super-lourdssur leur Mer d’Instabilitésaupoudrée d’extraits de croûte d’étoile à neutronsLiqueur de molécules

pré biotiques

Soupe primordialeGrillade d’atomes

légers sur lit de fusion douce

Pavé de Ferextrait du fond

de la Vallée de StabilitéIle flottante

d’éléments super-lourdssur leur Mer d’Instabilitésaupoudrée d’extraits de croûte d’étoile à neutronsLiqueur de molécules

pré biotiques

Menu récent:datant

d’environ 4 Milliards d’années

Découvert tout

près de chez nous:

sur la Voie Lactée

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L’énigme de la recette cachée

• Cette biographie n’a pas permis de percer le mystère de la recette de la Matière Noire– que le Chef cache depuis plus de 13 Milliards d’années

• Ni d’ailleurs celui de l’Energie Noire – qui depuis 6 Md d’années accélère l’expansion du

Cosmos• Ces cachoteries sont humiliantes pour les

physiciens– car elles portent sur plus de 95% de la

matière/énergie

il est permis de penser que les mystères du Chefvont être dévoilés … incessamment sous peu ?

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Au menu des chercheurs: la savoureuse part cachée du

camembert

47

Merciet

bonne digestion

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… c’est ce qui ce passe actuellement dans notre Soleil

49

50

Le Soleil … vu par les neutrinos qu’il émetLe Soleil … vu par les neutrinos qu’il émet

Noyau: R~700 000 km, T~15 000 000 °CNoyau: R~700 000 km, T~15 000 000 °C