Ce cours vous introduit à la physique subatomique, c'est à dire à la physique du noyau et à celle des particules élémentaires. Plus spécifiquement les questions adressées sont les suivantes : - Quels sont les concepts de la physique des particules et comment sont-ils implémentés? - Quelles sont les propriétés du noyau atomique et comment peut on les utiliser? - Comment accélérer et détecter des particules et mesurer leurs propriétés? - Qu’est-ce qu’on apprend à partir des réactions de particules à haute énergie et leurs désintégrations? - Comment fonctionnent les interactions électromagnétiques et comment peut-on les mettre à contribution? - Comment fonctionnent les interactions fortes et pourquoi sont-elles difficiles à comprendre? - Comment fonctionnent les interactions faibles et pourquoi sont-elles spéciales? - Quelle est la masse des objets au niveau subatomique, et comment y intervient le Higgs? - Que peut-on apprendre de la physique des particules concernant l’astrophysique et l’Univers tout entier? Le cours est structuré en sept modules. Suivant le premier module qui introduit notre sujet, les modules 2 (Physique nucléaire) et 3 (Accélérateurs et détecteurs) dépendent peu du reste du cours et peuvent être étudiés séparément. Les modules 4 à 7 approfondissent les notions de la matière et des forces élémentaires.
7.2 Matière sombre
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En provenance du cours de University of Geneva
Physique des particules - une introduction
52 notes
À partir de la leçon
Matière et énergie sombre
Dans ce dernier module vous rencontrez la matière sombre, qui ne se manifeste que par son action gravitationnel. Vous verrez comment l'énergie sombre accélère l'expansion de notre univers. Vous apprécierez les indices observationnels qui nous démontrent l'existence de ces phénomènes mystérieuses. Et on discutera avec une spécialiste du domaine la nouvelle physique qui pourrait se cacher derrière et qui reste à découvrir.
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Martin PohlProfesseur ordinaire
Département de physique nucléaire et corpusculaire
Mercedes PanicciaCollaboratrice scientifique
Département de Physique Nucléaire et Corpusculaire
[MUSIQUE]
[MUSIQUE] Dans ce septième module, on
est en train de discuter les ingrédients de l'univers que l'on ne connaît pas.
Donc, la matière sombre, et l'énergie sombre.
Dans cette deuxième séquence vidéo, on parlera de la matière sombre.
Après avoir suivi cette vidéo, vous saurez comment on détecte la matière sombre
par ses effets gravitationnels, et comment on cherche à identifier ses quantas,
donc les particules qui constituent la matière sombre.
Une des preuves les plus convaincantes de l'existence de la matière noire est
l'observation des vitesses de rotation v des étoiles autour de leurs galaxies.
En fonction de leur distance R, du centre de la galaxie.
Selon la troisième loi de Kepler, cette vitesse est déterminée par la
masse totale M R, qui est incluse dans le rayon R.
Si M R devenait à peu près constante, en dehors des limites visibles de la galaxie,
on aurait une diminution de la vitesse de rotation avec la racine de la distance.
Mais, l'observation indique que la vitesse reste plus ou moins constante à grand R.
C'est-à-dire qu'il existe
un anneau de masse invisible qui s'étend au-delà de la limite optique.
Sa densité ne diminue qu'avec le carré de la distance.
Les lentilles gravitationnelles sont un formidable outil
pour mesurer la masse totale des grandes structures astronomiques,
même quand cette masse n'émet pas de la lumière, donc n'est pas visible.
Leur principe se base sur le fait que les rayons de lumière suivent des
lignes droites dans l'espace-temps, déformés par la gravité des objets.
De cette manière, la gravité de l'objet dans le premier plan rend de multiples
images déformées de l'objet en arrière-plan.
Par la déformation de l'image d'une galaxie derrière un amas par exemple,
on peut donc calculer la masse de l'amas qui se trouve en premier plan.
De cette manière,
on obtient une sorte de tomographie de la structure dans le premier plan.
L'image optique du Hubble Space Telescope à gauche
montre les multiples images d'une galaxie dans l'arrière-plan.
Donc les petites tâches en bleu.
La distribution des masses de l'amas dans le premier plan qui correspond,
est montrée à droite.
Elle met en évidence une distribution amorphe des masses invisibles,
sur laquelle se superposent des pics, qui sont les pics des objets lumineux.
La masse invisible domine sur la masse visible.
comme c'est le cas pour les galaxies.
Un autre indice convaincant de l'existence de la matière noire,
est l'observation de l'amas de la Balle, Bullet Cluster, en anglais.
À la fois par la lentille gravitationnelle,
et par observation en rayons X.
Cette amas montre en effet l'état des différentes formes de matière,
après une collision des galaxies.
La partie rose de cette image est reconstruite des données du satellite
Chandra, qui observe l'intensité des rayons X émis par l'amas.
Ceci correspond à la densité des matières lumineuses
qui montrent la déformation et le freinage par friction et coalescence,
dont on s'attend après une telle collision pour la matière ordinaire.
La partie bleue par contre représente la densité
des masses qui est reconstruite par lentille gravitationnelle.
La distribution montre que la majorité de la masse des deux amas
est passée à travers la collision, avec beaucoup moins d'interaction.
Elle se trouve en effet en avance, par rapport à la masse lumineuse.
On conclut de toutes ces évidences que la matière sombre représente
à peu près 95 % de la masse des galaxies et de leurs amas.
Il est donc clair que la matière sombre existe, et qu'elle contribue au
confinement des galaxies, et probablement aussi a contribué à leur formation.
Le comportement gravitationnel de cette substance est le même
que celui de la matière lumineuse.
Il s'agit donc bien d'une forme de matière mais non conventionnelle.
Si elles consistent de particules, leurs propriétés doivent être les suivantes.
Elles doivent être électriquement neutres, sinon elles rayonneraient de la lumière.
Donc, on les compterait dans la matière lumineuse.
Elles doivent évoluer avec une vitesse non-relativiste.
On parle donc aussi de matière sombre froide.
Elles doivent interagir faiblement entre elles, et aussi avec la matière ordinaire.
Sinon, on verrait le produit de ces réactions.
Et enfin,
leur densité doit être compatible avec le bilan de matière manquante.
Les méthodes principales de recherche qui tentent d'identifier
ces particules sont principalement trois.
La production des particules, suivant le portrait-robot qu'on vient de montrer,
au collisionneur de haute énergie comme LHC.
Vous trouverez un exemple sur ce site du CERN.
Et jusqu'ici, cette recherche n'a pas donné des signaux, mais elle est encore
poursuivie vigoureusement par les expériences ATLAS et CMS.
Deuxièmement, la recherche des interactions de la matière sombre,
avec la matière normale.
Donc, on cherche à mesurer le recul des noyaux de matière,
suite à une diffusion avec des particules de matière sombre.
A cause des faibles taux d'interaction, et des minuscules reculs,
ceci affecte les noyaux.
Des détecteurs à gaz noble cryogénique comme le xénon.
Et vous trouverez plus d'informations sur le site de nos collègues de Zürich.
La troisième méthode est la recherche de produit d'auto-annihilation
des particules de matière sombre, qui sont leurs propres antiparticules,
une paire de particule-antiparticule ordinaire.
Cela pourrait donner des signaux détectables dans le spectre d'énergie des
rayons cosmiques dits secondaires, comme les positrons et les protons,
qui sont plus rares que les rayons cosmiques primaires.
Comme électrons et protons.
Et c'est cette ligne de recherche que nous suivons avec AMS.
Nous faisons donc la recherche des produits d'auto-annihilation des
particules de matière sombre, avec notre spectromètre pour rayons cosmiques AMS,
qui est installé sur la Station spatiale internationale depuis plusieurs années.
Le spectromètre identifie les particules des rayons cosmiques,
et mesure leur énergie.
Il est sensible à des énergies qui vont de quelques GeV, fractions de GeV,
à plusieurs TeV.
Un résultat qui pourrait être relevant pour la détection de la matière sombre
est l'effet qu'au delà de quelques centaines de GeV,
le flux de positrons et électrons devient, dévie de leur forme normale.
Ceci est particulièrement visible pour les positrons qui sont des antiparticules
rares, comparées aux électrons, étant des secondaires.
Ceci indique clairement qu'il y a une nouvelle source
d'électrons et de positrons.
Reste à savoir s'il s'agit d'une source diffuse comme l'annihilation de la matière
sombre, ou une source localisée, comme par exemple des pulsars proches de la Terre.
On pourra probablement déduire la réponse des
données futures de notre expérience AMS.
En particulier, la vitesse avec laquelle le spectre retombera vers
sa forme normale, presque au maximum, est pleine d'informations.
S'il s'agit de l'annihilation entre deux particules de matière sombre,
leur masse présente une limite supérieure et bien définie
pour tout produit de l'annihilation.
Ici, on montre un exemple pour une particule de matière sombre xi,
qui a une masse de 700 gigaélectronvolts.
S'il s'agit par contre d'une source astrophysique,
la disparition du signal sera plus lente.
On est donc en train d'encercler la matière sombre avec tous
nos moyens expérimentaux.
Et probablement on arrivera à résoudre son énigme dans le futur très proche.
Par contre, du côté de l'énergie sombre,
on est beaucoup moins optimiste, comme on discutera dans la prochaine vidéo.
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