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Asymétrie matière/anti-matière



  1. #1
    jojo17

    Question Asymétrie matière/anti-matière


    ------

    Bonjour,
    Dans l'étude de l'asymétrie entre matière et anti-matière, le fait que les deux ne puissent pas co-éxister est-il plutôt considérer comme une "cause" de l'asymétrie constatée, ou plutôt comme le "résultat" de celle-ci?
    Autrement quelles sont, dans les grandes lignes, les avancées dans ce domaine?

    Merci

    -----
    les gens qui ont des montres n'ont pas le temps. Sagesse africaine

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  3. #2
    Karibou Blanc

    Re : Asymétrie matière/anti-matière

    Dans l'étude de l'asymétrie entre matière et anti-matière, le fait que les deux ne puissent pas co-éxister est-il plutôt considérer comme une "cause" de l'asymétrie constatée, ou plutôt comme le "résultat" de celle-ci?
    La situation est la suivante. Si on suppose que l'univers "naquit" lors du bigbang avec la meme proportion de matière que d'anti-matière, cad pour chaque particule de matière il y avait dans l'univers une particule d'anti-matière, alors avec l'expansion les premières auraient fini par s'annihiler avec les dernières exactement, de manière à ce qu'aujourd'hui il n'y ait que de la lumière dans l'univers.

    Pourquoi ? Elémentaire. Considérons pour simplifier qu'il n'existe qu'un seul type de particule de masse m baignant dans le fluide dense et chaud que constitue l'univers. Faissons l'hypothèse qu'il est symétrique. Pour T>m, les collisions entre 2 particules (et 2 anti-particules) produisent d'autres paires particules/anti-particules de masses m, en utilisant de l'énergie thermique pour arracher au vide ces dernières. Ces nouvelles paires compensent exactement la perte engendrée par les annihilations (donnant de la lumière) qui se produisent lorsqu'une particule rencontre une anti-particule. Ainsi pour T>m, on dit que l'espèce de particules considérée est en équilibre thermique. Le nombre de particule est constant et est égal au nombre d'anti-particules.
    Maintenant l'univers se refroidissant avec l'expansion, on transite vers le cas où T<m. Dans ce les particules continuent de s'annihiler avec les anti-particules, cela ne coute pas d'énergie. En revanche les collisions ne sont plus suffisamment énergétiques pour créer de nouvelles paires (E=T<2m). Et le nombre de particules et d'anti-particules diminuent (tout en restant égaux). Au bout d'un certain il ne reste plus que de la lumière issue des réactions d'annihilation. S'il existe plusieurs espèces particules, le meme raisonnement s'applique lorsque T franchit chaque seuil défini par la masse de l'espèce considérée.

    Notre univers n'a pas seulement étaient un gigantesque feu d'artifice, il a donné lieu en se refroidissant à la naissance de structure de matière.
    La présence de structure : galaxies, étoiles, planètes... implique qu'il y a eu soit production d'un exces de matière via un mécanisme quelconque dans l'histoire de l'univers, soit que ce dernier est "né" avec cette asymétrie. Dans le second cas, il n'y a rien à expliquer, et les physicien prévilégient donc le premier, ie l'existence d'un mécanisme qui a produit un exces de matière par rapport à l'anti-matière.

    Aujourd'hui en observant le ciel et (en tres tres gros) en comptant le nombre de galaxie autour de nous, on a pu mesurer l'asymétrie nécessaire pour satisfaire ces observations. Le résultat est que le mécanisme générateur de matière a du créer 1 particule de matière de plus (que d'anti-matière) toutes les 10 milliards de paires. Autrement, l'univers qu'on observe aujourd'hui représente seulement 1 part pour 10 milliards (ou 0.000000001%) de ce qu'il contenait en matière (et anti-matière) lorsque sa température était aussi grande que la masse de la particule la plus lourde connue.

    Il y divers mécanismes pour expliquer cette asymétrie : la leptogénèse et la baryogénèse électrofaible. Le premier est très flou car il repose sur une physique des particules à très très haute énergie (10^16 GeV, typique des modeles de grande unification) très hypothètique. Le second est des plus intéressant (à mon sens) car il est basé sur le modèle standard légèrement étendu par une physique nouvelle à l'échelle de 1000 GeV qu'on pourra tester au LHC.



    La raison est
    Well, life is tough and then you graduate !

  4. #3
    jojo17

    Re : Asymétrie matière/anti-matière

    D'abord merci pour ces explications.
    On a donc un processus dynamique entre matière et anti-matière, où lorsque T>m, les "quantités" restent constantes. Et lorsque T<m, les "quantités" tendent vers 0, et le processus s'arrête. Il ne rest plus que le produit des réactions d'anihilations.
    Ce que je n'ai pas compris, c'est pourquoi un seuil à T=0?
    Y a-t-il encore équilibre themique à T=0, ou bien faut-il passer en desous de ce seuil pour que le processus décline?
    les gens qui ont des montres n'ont pas le temps. Sagesse africaine

  5. #4
    Karibou Blanc

    Re : Asymétrie matière/anti-matière

    On a donc un processus dynamique entre matière et anti-matière,
    Le processus dynamique dont tu parles, n'en est pas vraiment un au sens strict, il s'agit juste de collisions en particules.

    Ce que je n'ai pas compris, c'est pourquoi un seuil à T=0?
    ou ai-je parlé d'un seuil à T=0 ?

    Y a-t-il encore équilibre themique à T=0, ou bien faut-il passer en desous de ce seuil pour que le processus décline?
    Quand on parle d'équilibre thermique, on parle de "quelque chose" en équilibre thermique.
    Well, life is tough and then you graduate !

  6. A voir en vidéo sur Futura
  7. #5
    jojo17

    Re : Asymétrie matière/anti-matière

    Heu...je me suis trompé!
    Je voulais écrire T=m.
    Tu dis
    Ainsi pour T>m, on dit que l'espèce de particules considérée est en équilibre thermique.
    Que se passe-t-il à T=m? Est-ce que l'espèce de particules considérée est en équilibre thermique si t=m?
    Pourquoi un seuil à T=m? Pourquoi justement <ou> à m?
    les gens qui ont des montres n'ont pas le temps. Sagesse africaine

  8. #6
    Karibou Blanc

    Re : Asymétrie matière/anti-matière

    Que se passe-t-il à T=m? Est-ce que l'espèce de particules considérée est en équilibre thermique si t=m?
    Pourquoi un seuil à T=m? Pourquoi justement <ou> à m?
    J'avoue que je n'étais pas tres clair.
    T représente grossièrement l'énergie impliquée dans la collision de deux particules dans le bain thermique à température T. D'apres la relativité si cette énergie est supérieure à 2m alors une paire particule/anti-particule sera créer lors de la collision. Si T<m (ou 2m peu importe seul l'ordre de grandeur est important pour la discussion) alors aucune paire ne peut etre créée lors de la collision. Et comme dans tous les cas, des paires disparaissent par annihilation, il se trouve que pour T>m les quantités sont constantes, et pour T<m elles diminuent. Par ailleurs dans les deux cas, les particules de masses m sont en équilibre thermique en permanence, la preuve en est que pour T<m les quantités sont diminuées d'un facteur e^(-m/T) qui n'est rien d'autre que le poids de Bolztmann caractérisant l'équilibre thermique.

    En fait, les particules ne restent pas indéfiniment à l'équilibre thermique. Pour un certain T (<m), l'expansion de l'univers est telle que la probabilité qu'une particule rencontre une anti-particule est quasi-nulle car la distance moyenne entre elles est devenue si grande qu'il faudrait qu'elles se déplacent plus vite que la lumière pour entrer en contact. Dis autrement les particules/anti-particules sont tellement diluées (l'univers étant devenu tellement grand) qu'elles ne se croisent plus jamais. Donc plus d'annihilation est leur nombre restent constant à nouveau. On appelle cela un freeze-out.
    Well, life is tough and then you graduate !

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  10. #7
    jojo17

    Re : Asymétrie matière/anti-matière

    D'accord, merci!
    Donc l'énergie de collision est fonction de la température du bain thermique.
    Et plus la température est élevée, plus la collision est énergétique. Et si la collision n'est pas assez énergétique (T<2m), il n'y a pas de création de paires particules/anti-particules.
    Puisqu'il s'agit "d'arracher ces dernières au vide", est-il question, pour qu'il y ait création de paires particules/anti-particules, de dépasser un "niveau" d'énergie du vide (mais je m'avance...en terres inconnues )?
    les gens qui ont des montres n'ont pas le temps. Sagesse africaine

  11. #8
    Karibou Blanc

    Re : Asymétrie matière/anti-matière

    Donc l'énergie de collision est fonction de la température du bain thermique.
    Typiquement oui. Avec les unités traditionnelles, ce n'est ni plus ni moins que la fameuse relation E=3/2 kT. L'énergie moyenne des collisions est 3/2 k fois la température.

    Et plus la température est élevée, plus la collision est énergétique. Et si la collision n'est pas assez énergétique (T<2m), il n'y a pas de création de paires particules/anti-particules.
    C'est ca.

    Puisqu'il s'agit "d'arracher ces dernières au vide", est-il question, pour qu'il y ait création de paires particules/anti-particules, de dépasser un "niveau" d'énergie du vide
    Sans apport extérieur d'énergie les paires n'existent dans le vide qu'un très bref instant - typiquement 1/(2m) - ce sont ce qu'on appelle des fluctuations quantique du vide. La paire "emprunte" une énergie de 2m au vide violant ainsi momentannément la conservation classique de l'énergie. C'est autorisé seulement pendant une durée déterminée par l'incertitude de Heisenberg, grosso modo 1/(2m). (Je suis dans un système d'unité ou c=hbar=1).
    Maintenant si tu apportes (via une collision) de l'énergie au moins égale à 2m (sous forme cinétique ici), la paire dite virtuelle peut maintenant utiliser cette énergie cinétique et perdurer beacoup plus longtemps, on dit qu'elle est devenu réelle, cad qu'il ne s'agit plus d'une fluctuation mais d'une paire directement observable. Elle sera thermalisée par le bain et engendrera des collisions à son tour, etc...
    Well, life is tough and then you graduate !

  12. #9
    jojo17

    Re : Asymétrie matière/anti-matière

    Bonjour,
    Et merci, c'est limpide.
    Une autre question...
    Citation Envoyé par Karibou Blanc
    En fait, les particules ne restent pas indéfiniment à l'équilibre thermique. Pour un certain T (<m), l'expansion de l'univers est telle que la probabilité qu'une particule rencontre une anti-particule est quasi-nulle car la distance moyenne entre elles est devenue si grande qu'il faudrait qu'elles se déplacent plus vite que la lumière pour entrer en contact. Dis autrement les particules/anti-particules sont tellement diluées (l'univers étant devenu tellement grand) qu'elles ne se croisent plus jamais. Donc plus d'annihilation est leur nombre restent constant à nouveau. On appelle cela un freeze-out.
    d'après ce que tu dis, et avec un peu d'imagination, je serais tenté de soupçonner que le mécanisme de rupture de symétrie à eut lieu lors de la période inflationnaire. Pense-t-on qu'il en est ainsi?
    les gens qui ont des montres n'ont pas le temps. Sagesse africaine

  13. #10
    Karibou Blanc

    Re : Asymétrie matière/anti-matière

    d'après ce que tu dis, et avec un peu d'imagination, je serais tenté de soupçonner que le mécanisme de rupture de symétrie à eut lieu lors de la période inflationnaire. Pense-t-on qu'il en est ainsi?
    Ce n'est pas exclu (par contre je ne comprends comme ca tu peux le dire d'apres ce que j'ai écrit ). A la fin de l'inflation, le champ scalaire responsable de l'expansion exponentielle de l'univers se désintégre en des particules de masses beaucoup plus légères (disons celles du modele standard pour simplifier). Il n'est pas impossible qu'à cours de cette désintégration, la matière ait été priviligiée devant l'anti-matière. Je ne connais pas de travaux à ce sujet.
    Well, life is tough and then you graduate !

  14. #11
    jojo17

    Re : Asymétrie matière/anti-matière

    Bonsoir,
    Citation Envoyé par Karibou Blanc Voir le message
    Ce n'est pas exclu (par contre je ne comprends comme ca tu peux le dire d'apres ce que j'ai écrit ).
    Je peux essayer de t'expliquer ce que j'avais en tête...
    D'abord lorsque T>m, il y a autant de "créations" de paires de particules/anti-particules que d'anihilations de particules et anti-particules et les quantités de ces dernières restent constantes ( et aussi leur proportions).
    Par contre lorsque T<m, il y a plus d'anihilations que de "créations", donc leurs quantités diminuent (mais les proportions restent inchangées).
    Toujours quand T<m,à un moment, l'effet de l'expansion stoppe les anihilations et les quantités de ce fait ne diminuent plus puisque contre-balancées par l'arrêt des anihilations, et donc les quantités se stabilisent et redeviennent constantes à nouveau.
    Il y a donc équilibre au début (T>m) entre "création" et anihilation, puis (T<m), un déséquilibre se crée entre ces deux qui fait que les quantités diminuent, ensuite sous l'effet de l'expansion, il y a un rétablissement de l'équilibre et de nouveau les quantités sont constantes.
    Pourquoi ne serait-ce pas un process similaire qui à conduit à l'asymétrie matière/anti-matière?
    Et pour répondre à t-on interrogation, je me suis dis que la rééquilibration sous l'effet de l'expansion, qui gèle en quelque sorte (freeze out) la diminution des quantités, a dû se produire à un moment ou à un autre dans le mécanisme d'asymétrie pour qu'il reste autre chose que de la lumière.
    Comme la phase inflationnaire est une expansion exponentielle dans un temps très court, là encore, je me suis dis que cette période était propice à un arrêt (comme tu l'expliquais) des anihilation (brutal), ce qui à permis à ce qu'il reste de la matière (ou à l'anti-matière), en plus de la lumière.
    J'espère que tu m'as suivi.
    Maintenant cela n'explique rien à propos de l'asymétrie même (disproportion), je te l'accorde, mais chacun à ses limites.
    les gens qui ont des montres n'ont pas le temps. Sagesse africaine

  15. #12
    Karibou Blanc

    Re : Asymétrie matière/anti-matière

    Pourquoi ne serait-ce pas un process similaire qui à conduit à l'asymétrie matière/anti-matière?
    Parce que si tu relis ce que a écrit avant, tu verras tout de suite que ce genre d'évolution (par construction) est parfaitement symétrique (matière/anti-matière). Lorsque tu crées des particules à partir du vide, tu les crées toujours par paires, ne serait-ce que pour conserver la charge électrique. De même les annihilations se font toujours par paires.

    Et pour répondre à t-on interrogation, je me suis dis que la rééquilibration sous l'effet de l'expansion, qui gèle en quelque sorte (freeze out) la diminution des quantités, a dû se produire à un moment ou à un autre dans le mécanisme d'asymétrie pour qu'il reste autre chose que de la lumière.
    En général il est préférable de générer cette asymétrie avant que l'espère en question ne gèle. Sinon lorsque ces particules ne se "voient" plus, il est quasi-impossible qu'une asymétrie apparaisse, car elles étant isolées les unes des autres, aucune interaction ne peut modifier leurs quantités respectives.

    Comme la phase inflationnaire est une expansion exponentielle dans un temps très court, là encore, je me suis dis que cette période était propice à un arrêt (comme tu l'expliquais) des anihilation (brutal), ce qui à permis à ce qu'il reste de la matière (ou à l'anti-matière), en plus de la lumière.
    Au cours de l'inflation, l'expansion est telle que l'univers est presque quasi-infiniment dilué, sa température est très faible (car le bain thermique initial a atteint une densité très très faible), et il n'y a pratiquement plus de collision, mais a priori il y a autant de matière que d'anti-matière à cette époque. En gros toute la physique particulaire est stoppée, jusqu'à ce que l'inflaton (le champ responsable de expansion exponentielle) ne se désintègre en particules plus légères pour repeupler (et par conséquent réchauffer) l'univers.
    Well, life is tough and then you graduate !

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  17. #13
    jojo17

    Re : Asymétrie matière/anti-matière

    Salut,
    Et toutes mes excuses aux lecteurs pour les (énormes) fautes de français.
    Citation Envoyé par Karibou Blanc Voir le message
    Parce que si tu relis ce que a écrit avant, tu verras tout de suite que ce genre d'évolution (par construction) est parfaitement symétrique (matière/anti-matière). Lorsque tu crées des particules à partir du vide, tu les crées toujours par paires, ne serait-ce que pour conserver la charge électrique. De même les annihilations se font toujours par paires.
    Oui, effectivement. Mais pour être plus précis, le process décrit plus haut, c.à.d d'équilibre puis de déséquilibre, et ensuite la rééquilibration, je pensais qu'il pouvait être, non plus celui entre "créations" et anihilations des paires, mais entre matière et anti-matière directement.
    Qu'il y ait eu équilibre entre matière et anti-matière, puis un déséquilibre en faveur de la matière, et ensuite une sorte de freeze out (rééquilibration et gèle de l'espèce), pour aboutir aux proportions définitives. Je sais pas si ce n'est pas trivial de dire cela, mais bon...
    Ceci dit, il y aurait dans ce cas de figure asymétrie (déséquilibre) avant le gèle.
    Sinon, pour revenir à quelque chose de moins arbitraire....comment se fait-il que l'inflaton se désintègre?

    Merci et bonne journée.
    Dernière modification par jojo17 ; 07/02/2008 à 11h09.
    les gens qui ont des montres n'ont pas le temps. Sagesse africaine

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