Biographie d’un grand cuisinier d’atomes: l’Univers

1. Communication à l’Académie des Sciences , Belles-Lettres et Arts de Lyon Palais Saint-Jean, le 12 mars 2013 Biographie d’un grand cuisinier d’atomes: l’Univers Joseph Remillieux Professeur émérite, Université Claude Bernard Lyon1 Institut de Physique Nucléaire de Lyon

2. Bibliographie • après avoir consulté: Genesis, De rerum natura Μαθηματική σύνταξις (Almageste) • j’ai choisi d’utiliser une œuvre récente Universa Descriptio Le Modèle Standard

3. 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

4. La légende de ses premiers criset de sa première recette • Sous l’effet d’une fièvre extrême (1019GeV) 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

5. Dans sa réserve, il n’avait alors en rayon que 6 quarks, 6 leptons, 6 bosons … et leurs antiparticules ! 126 GeV ?

6. 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

7. Soupe primordiale de quarks et de gluons

8. 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)

9. Masses et Températures en eV • Masses des particules 1eV ≈ masse (maximum) des neutrinos 1 MeV ≈ masse de 2 électrons 4 et 7 MeV ≈ masse des quarksup et down 1 GeV ≈ masse des protons et neutrons 126 GeV = masse du boson de Higgs? • Températures de l’Univers 1meV≈3°K (- 270°C) , température actuelle du Cosmos 1eV ≈ 3 000°K, température à 380 OOO ans 1 MeV ≈ température 1 seconde après le Big-Bang 1 GeV ≈ température 10 ns après le Big-Bang

10. Une seconde plus tard:sa seconde recette • la soupe s’étant brutalement refroidie • de 1015GeV à 1 MeV ! • il appliqua les recettes de la Chromo - Dynamique - Quantique pour condenser quarks et gluons • en nucléons: protons et neutrons (instables)

11. Recettes de cuisine « hadronique »

12. Plasma hadronique de nucléons Protons etNeutrons aux trois saveurs de neutrinos

13. 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 βp -> n + e + + ν • Il put alors synthétiser des deutons • puis réussir la fusion (p,d) en 3He • puis la fusion (3He, 3He) en 4He

14. Nucléosynthèse primordiale de l’hélium

15. la très chaude fusion de deux noyaux r Z1 Z2 Ep Fusion chaude Température Fusion froide par effet tunnel r 5.10-13 cm

16. 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 !

17. Délice nucléaire primordial d’hydrogène et d’hélium avec ses effluves de deutérium, lithium et béryllium

18. 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 lumièreà 3 000 °K • cet éclair de génie fit passer le jeune Chef de l’ombre à la lumière Son flash est encore visible aujourd’hui à 3°K … car le Cosmos est en expansion !

19. Eclair du fond diffus cosmologique sur son gaz atomique d’hydrogène et d’hélium

20. Le refroidissement éternel évité à quelques « catons » près Après 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

21. Recette pour la création d’une étoile Salvador Dali

22. La Cuisine se peupla d’ une batterie de chaudrons stellaires … aux destins divers

23. 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 noyauxmagiques très stables En fait, les noyaux créés par nucléosynthèse • sont le plus souvent instables • mais ils peuvent être stabilisés par radioactivité

24. 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 »

25. LeNirvana des noyaux: le fond de la Vallée de Stabilité 290 noyaux sont stables 7000 sont possibles (radioactifs) - dont 2500 déjà identifiés

26. Noyaux: - Stables - Riches en protons - Riches en neutrons 17F 64.8 s 18F 109.7 m 19F 20F 11 s 14O 70.6 s 17O 18O 13O 8.58 ms 15O 2.03 m 16O 19O 27.1 s 12N 20.4 m 13N 20.4 m 14N 15N 16N 7.13 s 17N 4.17 s 18N 0.63 s Z 9C 125 ms 10B 19.3 s 11C 20.4 m 12C 13C 14C 5730 y 15C 2.45 s 16C 0.747 s 17C 193 ms 8B 770 ms 10B 11B 12B 20.20 ms 13B 17.33 ms 14B 13.8 ms 15B 10.4 ms 7Be 9Be 10Be 1.6 106 y 11Be 13.8 s 12Be 23.6 ms 14Be 4.35 ms 6Li 7Li 8Li 840 ms 9Li 179 ms 11Li 8.5 ms 3He 4He 6He 808 ms 8He 119 ms 1H 2H 3H12.323 y n10.25 m N

27. Un rêve: atteindre l’ilôt des noyaux super lourds Dr. Andrey G. Popeko

28. La « Table des Eléments » du cuisinier chimiste

29. La course vers l’ilôt de stabilité ZNom de baptême 105DubniumDb 106 Seaborgium Sg 107BohriumBh 108HassiumHs 109MeitneriumMt 110DarmstadtiumDs 111RoentgeniumRg 112CoperniciumCn 113Ununtrium (Uut) 114Ununquadium (Uuq) 115Ununpentium (Uup) 116Ununhexium (Uuh) 117Ununseptium (Uus) 118Ununoctium(Uu0) Baptême le 7 sept 1992 à Darmstadt 2012, Japonium ?

30. 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

31. 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 Cendre: 1 noyau d’ hélium Combustible: 4 protons

32. 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

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

34. Salade d’atomes semi-légers Grand choix parmi 56 éléments jusqu’au Fer Préparés par fusion douce en cœur d’étoiles

35. 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

36. Quel avenir pour ces « géantes rouges » ?

37. 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 Novaetrès 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 Chef va réussir à cuisiner les atomes les plus lourds

38. 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 lourds autour du chaudron explosé

39. Nombre de protons Capture rapide de neutrons Nombre de neutrons

40. 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 étranges où 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

41. Croûte et cœur d’une étoile à neutrons

42. Au coeur des étoiles à neutrons: retour vers la soupe du Big Bang !

43. 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 molécules dont les fameuses briques pré biotiques

45. Soupe primordiale Grillade d’atomes légers sur lit de fusion douce Pavé de Fer extrait du fond de la Vallée de Stabilité Ile flottante d’éléments super-lourds sur leur Mer d’Instabilité saupoudrée d’extraits de croûte d’étoile à neutrons Liqueur de molécules pré biotiques Découvert tout près de chez nous: sur la Voie Lactée Menu récent: datant d’environ 4 Milliards d’années

46. 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 cachedepuis 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 Chef vont être dévoilés … incessamment sous peu ?

47. Au menu des chercheurs: la savoureuse part cachée du camembert

48. Merciet bonne digestion

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

50. Le Soleil … vu par les neutrinos qu’il émet Noyau: R~700 000 km, T~15 000 000 °C