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Electron – Part. 3

Pour comprendre la matière, je combine deux modèles distincts dans l’idée hypothétique de trouver un angle de vue ouvrant de nouvelles perspectives. Le modèle standard en physique des particules et le modèle des Plans et de l’atome ultime en théosophie contemporaine. Le schéma de la matière que nous offre la science s’apparente plus à un croquis inachevé et illisible. Comment accepter que le modèle standard n’explique pas la matière-énergie noire dans l’Univers. La vitesse de rotation des galaxies est un fait observable par une grandeur physique mesurable (par spectroscopie). Des deux articles précédents j’en déduis que l’électron n’existe pas comme « particule physique » mais comme manifestation d’interaction entre notre plan physique et le sous-plan E4 (hypothèse, puisqu’il y a conservation du nombre d’ANU entre H et H+). De plus des changements d’échelles (entre les différents sous-plans) génèrent des perturbations qui nécessitent d’adapter les modèles, les interactions fondamentales et donc les Plans (sens théosophique) de la manifestation visible et invisible.

La matière-énergie noire

Les galaxies sont de grands ensembles cosmiques composées d’étoiles jaunes, rouges, bleues et blanches mais aussi de poussières, de trous noirs, de planètes, de comètes, de cadavres d’étoiles… On peut parler d’organismes cosmiques pour décrire cette ensemble que nous ne pouvons isoler (pour l’étudier) sachant que nous ne pouvons nous en extraire. Nous sommes réellement à l’intérieur de la galaxie, la Terre est infiniment petite à l’échelle de la Galaxie. Mais nous pouvons observer les autres galaxies et la plus proche s’appelle Andromède, c’est une galaxie elliptique comme la notre. Sans doute que son halo de matière noire touche le notre.

Vitesse de rotation des galaxies

La vitesse de rotation des corps célestes NE VARIE PAS en fonction de la distance au centre de la galaxie (le rayon R). C’est un fait observé contrairement à la théorie newtonienne qui prévoyait une diminution asymptotique de la vitesse de rotation (v=(GM/R)1/2).

L’écart est tellement important que les conséquences inattendues perturbent clairement la validité du modèle standard de la physique des particules.

A partir de l’analyse spectrale (ci-dessous), on peut déterminer la vitesse de rotation d’une galaxie. Les raies d’émission des gaz de la tranche de la galaxie se décalent en fonction du mouvement de rotation de la galaxie elle même. Le décalage spectral est mesurée par effet Doppler-Fizeau. Et la vitesse de rotation des bras autour du noyau de la galaxie est de 180 km/s.

Au final, que connaissons-nous ?

  • Energie noire : 73 % (inconnue)
  • Matière noire : 23 % (inconnue)
  • Atomes noirs : 3%
  • Atomes visibles : 1 %

Le modèle standard permet d’expliquer seulement 4% du monde qui nous entoure. C’est un bon début mais très insuffisant. Il y a certainement une erreur quelque part, une lacune contenant 96% de l’ensemble, le diagnostique est clair.

La physique des particules s’associe à la cosmologie, curieusement comme de l’infiniment petit à l’infiniment grand pour expliquer l’Univers. L’expansion de l’Univers est une dynamique à prendre en compte. Les paramètres physiques qui évoluent dans le temps sont la température et la densité d’énergie. LA relation à considérer est : E = kT ; avec E l’énergie en joule, T la température en Kelvin et k la constante de Boltzmann.

La masse du proton

A partir du modèle standard, on considère que la masse de la matière est contenue dans l’énergie portée par les gluons.

mp = 938 MeV/c² >> muud = 9,4 MeV/c²

Les 8 gluons (1979) représentent les « particules médiatrices » de l’interaction forte au niveau des quarks. Le photon (1905) est la particule médiatrice de l’interaction électromagnétique et les 3 bosons (1983) s’associent à l’interaction faible.

La masse d’une galaxie

L’essentiel de la masse du système solaire est contenue dans le Soleil, il n’y a pas de masse cachée même si il existe de la matière diffuse dans l’espace interstellaire répartie sensiblement comme la matière visible et observable en UV, IR, Rayons X, ondes radio…

En 1933 l’astronome Zwicky étudie les vitesses de 7 galaxies formant la chevelure de Bérénice dans l’amas de Coma : la masse estimée par les lois de Newton est 400 fois supérieure à la masse prévue à partir de la quantité de lumière observée. La différence entre la « masse dynamique » et la « masse lumineuse » doit être approfondie.

A partir des années 70, les indices en faveur de la matière noires se sont accumulées quand l’astronome Vera Rubin a étudié les spectres de galaxies spirales vues par la tranche. La matière noire n’est pas dans le disque galactique mais sous forme de halo sphérique englobant la galaxie. Les halos de matière noire sont très étendus (200 à 300 kpc). A associer aux « bulles de Koïlon » en théosophie…

  • La masse du soleil : Ms = 2.1030 kg
  • Etoile capable de donner une supernova : La masse est comprise en 8 et 60 Ms
  • Résidu étoile à neutron après explosion : La masse se situe entre 2 et 3 Ms
  • Masse d’une galaxie : De 108 à 1012 Ms

L’interaction faible et les bosons

L’interaction nucléaire faible est l’une des quatre interactions fondamentales de la physique. Et la désintégration béta(-) m’intéresse particulièrement, il s’agit de la désintégration d’un neutron en proton par exemple. Dans ce cas, la particule médiatrice est un boson W- qui manifeste la transmutation d’un quark d dans le neutron en quark u dans le proton avec émission d’un électron e- et d’un antineutrino.

L’équation de réaction en chimie nucléaire (faible) montre qu’un neutron n(udd) se désintègre en proton p(udu) plus électron et antineutrino. Soit l’équation de la chimie classique permet de formaliser cela, soit les diagrammes de Feynman (à droite) qui sont des outils puissants pour représenter sur plusieurs échelles, les phénomènes qui s’y produise.

Les différents bosons – Diagrammes de Feynman

Exemples de désintégration

Désintégration béta(-)

Désintégration béta(+)

Désintégration alpha

Au cours d’une désintégration, le nucléide formé est dans un état excité qui se stabilise par l’émission d’un rayonnement électromagnétique nommé gamma. Les rayonnements gamma sont utilisés en radiothérapie.

Energie de capture d’un électron

L’énergie de capture d’un électron est égale à la différence entre la masse de l’atome ZX et la masse de l’atome (Z-1)Y en négligeant l’énergie de liaison de l’électron sur sa couche énergétique (environ 100 keV pour les atomes lourds).

Violation de Parité – Désintégration béta

Bibliographie : Violation de la parité dans l’atome de césium : mesures sur la transition très interdite 6S1/2-7S1/2, Jocelyne GUENA. ENS thèse de doctorat d’état ès Sciences Physiques (11 juin 1985).

Violation de parité : il s’agit d’une observation dans les atomes, c’est à dire une manifestation d’une certaine préférence entre la droite et la gauche dans les lois physiques réagissant les systèmes atomiques. Ce fait, en physique atomique, n’est pas interprétable (même qualitativement) par l’électrodynamique quantique.

Mesure de violation de parité effectuées sur deux composantes hyperfines de la transition 6S-7S du césium excité par résonance. Curieusement, en ce qui concerne l’interaction faible, la physique pour un système n’est pas la même que pour « l’image du système dans un miroir ». Cela concerne les réactions nucléaires de mécanismes de radioactivité béta comme la désintégration du proton. L’interaction faible intervient aussi dans l’interaction entre les électrons et le noyau d’un atome et viole là aussi la symétrie par parité. Autrement dit, tous les états propres d’un atome sont légèrement différents de leur image dans un miroir. En effet, la règle de sélection interdisant les transitions entre états de parité identiques se fondent sur la symétrie miroir d’un atome. Si celle-ci n’est pas exacte, alors ces transitions ne sont pas complètement interdites et doivent pouvoir être (faiblement) excitées.

L’expérience de J. GUENA est un test à basse énergie des théories électrofaibles prédisant une interaction faible et neutre électron-neutron violant la parité, associé à l’échange d’un Z0 (boson neutre). Le résultat confirme la prédiction du modèle standard. En fait c’est l’existence d’une interaction faible à « courant neutre » entre les électrons et les nucléons qui, contrairement à l’interaction électromagnétique, n’est pas invariante par réflexion d’espace. Type d’interaction prédite dès 1971 dans le cadre des nouvelles théories de jauge qui unifient l’interaction faible et l’interaction électromagnétique.

L’effet physique essentiel que met l’asymétrie à la portée des expériences actuelles est la loi de croissance de l’amplitude faible légèrement plus rapide que le cube du n° atomique. La violation de parité se manifeste sous la forme d’une asymétrie droite-gauche dans un probabilité de transition entre deux états atomiques.

Interaction faible neutre

Dans les théories de jauge renormalisables, les interactions entre particules sont décrites par l’échange de particules, appelées bosons de jauge ou bosons vectoriels (spin = 1). Dans l’interaction électromagnétique, entre un proton et un électron, le boson échangé est le photon (particule neutre). Dans l’interaction faible de la capture K, le boson échangé est W+.

La portée de l’interaction électromagnétique est infinie alors que la portée de l’interaction faible est 2.10-18 m. La portée d’une interaction est reliée à la masse de la particule échangée (Yukawa, h(barre)/Mc). A la différence des photons sans masse, les bosons vectoriels faibles sont lourds (90 GeV/c²). En radioactivité beta, un neutron du noyau atomique se désintègre en un proton, en émettant un électron et un antineutrino : Ils sont TOUJOURS émis avec des hélicités qui sont positives pour l’électron et négative pour l’antineutrino (schéma a). Le phénomène inverse correspondant à l’image dans un miroir de la désintégration beta ne s’observe JAMAIS (schéma b). La violation de parité, c’est comme une préférence, dans la désintégration, entre la droite et la gauche : l’électron est « gauche » et l’antineutrino est « droit ».

Alors que l’échange de bosons chargés implique une modification de la nature des particules en interaction, l’interaction faible neutre peut se manifester entre particules stables. Et elle se superpose à l’interaction électromagnétique si les particules sont chargées comme pour l’atome. Le boson faible neutre Z0 possède la même masse que les bosons W donc la même portée.

Dans le domaine des hautes énergies (540 GeV), la production de Z0 a été mise en évidence au CERN en 1983. Mais les premières interactions faibles neutres sont observées (1973-1974) :

Les neutrinos ne permettent pas de tester la violation de la parité car ils n’existent dans la nature que dans un seul sens d’hélicité et les antineutrino dans le sens opposé. Il n’est pas possible de faire des expériences miroir.

Dans l’atome, les transferts d’impulsion entre l’électron et le noyau sont très inférieures au GeV/c² (hautes énergies) alors qu’elles sont de 2 Mev/c² (environ) dans le césium.

Expériences miroir avec Z0

Préparer, dans un même ensemble d’atomes deux expériences miroir en réalisant deux configurations chirales opposées, l’une droite et l’autre gauche. Dans chaque configuration, l’interaction électromagnétique et la parité de l’interaction faible sont simultanément présentes. Dans un processus physique caractérisé par un transfert d’impulsion q, elles se manifestent par des amplitudes de transition Aem et Af. L’expérience met en jeu la mesure d’une section efficace de diffusion qui est proportionnelle au carré de l’amplitude.

Le résultat de l’expérience miroir diffère de l’expérience elle même par le terme d’interférence électrofaible +/- 2 AemAf.

{Expérience à décrire avec résultats quantifiés}

Symétrie et Invariant

Le théorème de Noether dit qu’en physique, toute formule mathématique symétrique est équivalente à l’existence d’une entité physique invariante, et vice versa. La symétrie CPT désigne, par analogie, la structure de l’Univers dans lequel nous évoluons :

  • La charge des particules de matière (+) et (-), c’est la conjugaison de charge C
  • L’espace présent ou son image inversée (chiralité) dans un miroir imaginaire, c’est l’inversion des coordonnées ou transformation de la parité P
  • Le temps peut aussi s’écouler vers le futur ou vers le passé, c’est l’inversion temporelle T

Chaque terme peut prendre +1 ou -1, selon la parité, et ce que détermine le théorème, c’est que le produit des parités est conservé.

InvariantEntité physique conservée
Translation temporelle
Energie
Translation spatialeMoment linéaire
Rotation spatialeMoment angulaire
CPTProduit de parités
U(1)Charge électrique
U(2)Force électrofaible
SU(2)Isospin
SU(3)Couleur du quark
U(1)xSU(2)xSU(3)Modèle standard de la physique quantique

La symétrie – Théorie quantique

Hermann Weyl entreprit en 1918 l’étude de la symétrie physique, celle de jauge qu’il reliait la théorie des groupes de Lie à l’électromagnétisme et la gravité. Sa tentative était de considérer les deux champs comme des propriétés géométriques de l’espace-temps. Le concept était né…

La théorie est une théorie de jauge avec un groupe de jauge G lorsque le lagrangien du champ est un invariant de G. Les particules élémentaires sont au nombre de 24, il y a 2×6 quarks (fermions spin fractionnaire) et 2×6 leptons (spin entier). On parle de théorie de groupe lorsqu’il y a un groupe de symétrie entre les particules (géométrie différentielle). La théorie d’un champ en mathématiques, c’est une symétrie de jauge lorsque différentes configurations du même champ génèrent des grandeurs observables et identiques. C’est la notion, en physique, d’invariance et de grandeur mesurable. La symétrie de jauge implique les nombres complexes, les dérivées partielles, les intégrales curvilignes, certains objets algébriques de Lie, le calcul matriciel, les matrices infinies, les commutateurs…

La découverte de la particule OMEGA(-) par M. Gell-Mann dans les années 60 honore la théorie de jauge. C’est le groupe de Lie SU(3) qui, dans les années 70, permettra de supposer que chaque hadron était composé de 3 particules plus petites, les quarks.

La supersymétrie

La force faible est due à l’échange de bosons (pas de spin) et présente une magnitude d’ordre 10-11. La force forte qui maintient les protons et les neutrons est 105 fois plus puissante. La force forte est 100 fois supérieure à la force électromagnétique et 1039 fois celle de la gravitation. Dans le modèle standard, les différentes forces sont unifiées sauf la gravitation. C’est la théorie du tout qui est attendue. Je me demande surtout pourquoi la gravitation n’intègre pas trivialement, les théories de jauge. Car il y a un paradoxe dans la manifestation du plan physique, je le sens intuitivement mais je n’arrive pas à le définir….

Le groupe de jauge qui compile les échanges de manière symétrique les particules élémentaires du modèle standard est U(1)xSU(2)xSU(3). Mais où sont passés les antiparticules du système en évolution manifestée ? Pourquoi la matière-énergie noire n’inclut-elle pas cette théorie de jauge renormalisable ? Des questions qui ouvrent la réflexion vers la théorie des cordes…

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