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Quarks, Leptons, Bosons, elementary particles
I open the Science magazine No. 62 of January-March 2009, “dossier pour la science”, which will guide me in achieving this work where we will discover the elementary particles and their properties.
QUARK : these particles constitutes the hadrons such as protons and neutrons, which are composed of three quarks, but are also found in highly unstable particles mesons composed of two quarks.
In the center of the canvas a proton is shown by a dark red ball with inside two up quarks in red and a down quark in green, around neutrons are shown in navy blue ball with inside two down quarks in green and an up quark in red, in addition some other protons are also represented. Between protons and neutrons one discovers the six known types of quarks : in red the u quark for up and in green the d quark for down, then the more massive quarks discovered experimentally: in navy blue balls the strange quark s (constituent of the kaon), in royal blue balls the charm quark c (component of the particle J / Psi), in orange balls the bottom quark (component of B meson) and in big yellow balls the heaviest, the top quark.
Alternating with the protons and neutrons we see quarks mesons in orange balls. They belong to the family of composite particles (that is to say not basic) and are composed of two quarks.
ASYMPTOTIC FREEDOM : going to the edge of the artwork we see the protons and neutrons whose shapes have greatly stretched out and became oval : inside one imagines the quarks symbolized by small balls bound together by a yellow elastic cord with a high degree of tautness : the more one pulls away the balls, the stronger the string tension grows and the link that binds together the quarks increases with their energy. On the contrary if the energy of the quarks within the protons and neutrons is low, as in those shown in the center of the work in the round balls, then these latter seem more free to move. This amazing property of quarks is called asymptotic freedom.
LEPTONS : these insensitive particles to the strong interaction, unlike hadron particles, are observed in their isolated state. On the painting they are represented going to the edge beyond the circles where the protons, neutrons and quarks are depicted. We see in small yellow balls the electrons, then in medium yellow balls, the muons and in bigger yellow balls, the tau : all these particles have the -1 charge. Alternately with these latter particles are symbolized by small pink balls, with a line expressing their energy, those belonging to the family of the electronic, tauic and muonic neutrinos which carry a 0 electric charge.
BOSONS : each of the fundamental interactions is transmitted via a force mediating particle or a set of such particles that we discover at the very edge of the work. In green beads with a small wave we see the gluons that mediate the strong interaction, then in yellow beads topped with a longer wavelength, are the photons particles of the electromagnetic interaction which have an unlimited range, and finally in light gray and purple, the W + W- Z bosons, the latter having a 0 charge.
Le livre « étoiles et matière interstellaire » rédigé par six auteurs dont James Lequeux, Agnès Acker, Claude Bertout,..... m'a conduit dans la réalisation de cette oeuvre dans laquelle j'ai exprimé au coeur d'une supernovae la lutte entre l'implosion et l'explosion.
La température qui règne au coeur d'une supernovae est estimée de 40 à environ 150 milliards de degrés K, aussi tenter d'imaginer des couleurs dans un tel état de la matière relève de l'imagination ou du rêve : J'ai donc « rêvé » aux couleurs de l'implosion en vert et de l'explosion en jaune orangé et rouge, et sur ce rêve j'ai reproduit les petites particules de la chimie d'une supernovae au plus près de la réalité scientifique.
Avant de partir du centre de l'oeuvre où commence l'explosion, faisons un bref retour en arrière durant la contraction du coeur stellaire jusqu'au point où la température centrale atteint le milliard de degrés. La fusion des noyaux de carbone commence et une nouvelle particule fait son apparition au sein de l'étoile : le neutrino. Contrairement aux photons cette particule extrêmement légère interagit très peu avec la matière qu'elle rencontre sur son chemin. Page 120 : la production de neutrinos conduit l'étoile dans une période d'activité de plus en plus intense, la plus grande partie de l'énergie produite est emportée par les neutrinos du coeur stellaire à la surface lointaine.
Plusieurs étapes se succèdent avec la fusion du carbone, puis celle du néon et de l'oxygène. A plus de 2 milliards de K la combustion du silicium conduit à la formation de noyaux de plus en plus lourds jusqu'au fer 56.
Page 121 : quand la masse du coeur dépasse la limite de Chandrasekhar au delà de laquelle la pression interne des électrons ne peut plus supporter le poids de l'étoile, le coeur de fer implose brusquement et l'étoile meurt.
LES SUPERNOVAE GRAVITATIONNELLES : l'effondrement du coeur de fer.
Page 121 : A ce moment le coeur de fer a un rayon d'environ 3000 km comparable à celui de Mars. La partie interne d'environ 0,8 masses solaires s'effondre en bloc, la partie externe suit avec un léger décalage. L'évolution du coeur se déroule en moins d'une seconde, mais sa description (page 122) nécessite plusieurs mois de calcul avec les plus puissants ordinateurs aujourd'hui. Ces calculs essaient d'apporter une réponse à la question : « comment l'implosion se transforme-t-elle en explosion ? » mais sans beaucoup de succès jusqu'à présent.
Commençons par le centre de l'oeuvre où est représenté en bleu le fluide continu de noyaux et de neutrons libres. La densité centrale dépasse les 200 000 milliards de g/cm3. Une boite d'allumettes remplie de cette matière pèserait plus de un milliard de tonnes. Comment est ce possible ? Pour cela sur l'oeuvre nous regardons à l'intérieur du premier cercle jaune, à quelques centimètres du fluide de neutrons. Page 122 : la densité centrale atteint les 10 milliards de g/cm3, la majorité des électrons représentés en petites billes bleues est capturée par les noyaux et les protons en boules rouges. La charge négative des électrons neutralise la charge positive des protons, les transformant en neutrons. Le coeur de l'étoile commence à se neutroniser. Lors de chacune de ces réactions un neutrino est émis, qui s'échappe aussitôt vers la surface. Ces particules sont représentées en petites flèches roses ou pourpres s'enfuyant vers l'extérieur. Quand la densité centrale dépasse 500 milliards de g/cm3 le coeur interne est tellement dense que même les neutrinos ont du mal à se frayer un chemin vers l'extérieur.
Un millième de seconde plus tard, le coeur interne se trouve comprimé à l'intérieur d'une sphère extrêmement dense, de 30 km de rayon seulement.
Page 123 : nous arrivons maintenant à la densité centrale de plus de 200 000 milliards de g/cm3 décrite quelques lignes auparavant. Pour la première fois dans l'histoire de l'étoile, la résistance extraordinaire du gaz nucléaire se manifeste brusquement et l'effondrement du coeur interne s'arrête d'un coup, comme butant sur un rempart infranchissable. L'opposition du gaz nucléaire est tellement vive que le coeur interne se met à vibrer en bloc, comme un marteau qui rebondit sur une enclume. Sur l'oeuvre cette résistance nucléaire est symbolisée par les petites flèches rouges entourant le fluide de neutrons. Les courtes lignes ondulatoires jaunes ou vertes jusqu'au cercle jaune symbolisent les vibrations de l'étoile.
Page 123 : une fraction de milliseconde après ce rebond comme des vagues à la surface de la mer ces vibrations transportent une partie de l'énergie gravitationnelle libérée par l'effondrement, qui va servir à l'éjection du reste de l'étoile. Un mécanisme intéresse particulièrement les physiciens : celui des neutrinos : page 124. Une fraction de seconde avant le rebond du coeur les neutrinos se sont retrouvés piégés durant une demie seconde seulement. Ils s'échappent ensuite vers l'extérieur et toute la chaleur du coeur interne s'en va ainsi sous la forme d'une bouffée de 10 puiss. 58 neutrinos. Chacun d'eux transporte une énergie de 15 MeV environ, correspondant à l'extraordinaire température du coeur de l'étoile à ce moment là : 150 milliards de K, la température la plus élevée connue dans l'univers actuel. Page 122 :ces particules en petites flèches roses ou pourpres s'élancent vers l'extérieur où « la vague » se heurte à une véritable avalanche qui lui tombe de l'extérieur : les premières couches de la partie externe du coeur de fer représentées en colori vert s'écrasent à leur tour avec un retard d'une minuscule fraction de seconde à la vitesse de 70000 kms/s. Un bref combat s'engage entre « la vague » montant de l'intérieur et « l'avalanche » tombant de l'extérieur. La vague se met à briser les noyaux de fer, représentés ici en éclats de petites billes grises, elle y dépense son énergie ce qui lui fait perdre son élan au bout d'une centaine de kilomètres : les astrophysiciens baptisent la région où ceci se produit « le champ de mines ».
Page 124 : revenons à l'intérieur du 2ème cercle jaune : les neutrinos se lancent vers « le champ de mines » où la vague est en train de perdre son combat contre l'avalanche des couches de fer. Une faible proportion de neutrinos (environ 1 %) interagit avec les protons et les neutrons (débris de noyaux de fer) , lui communiquant son énergie. Les protons et neutrons représentés en billes rouges ou bleues s'échappent vers l'extérieur poussés par les neutrinos roses ou pourpres. Grâce à cette aide inespérée la vague évanouie se ranime l'explosion retardée réussit, le reste des neutrinos environ 99 % file vers la surface presque à la vitesse de la lumière. Page 125 : il est assez extraordinaire de constater que les fantomatiques neutrinos (qui n'interagissent presque pas avec la matière) sont capables de pousser l'énorme enveloppe stellaire si efficacement. Cependant les ,simulations numériques les plus récentes montrent que ce mécanisme n'est efficace que pour les coeurs de fer assez petits, correspondant à des étoiles dont la masse est de 10 masses solaires environ. Cela ne concerne qu'une faible fraction des étoiles massives, pour les autres on ignore le mécanisme exact de l'explosion.Page 125 : parmi les pistes explorées, celle des ondes acoustiques a créé récemment de grands espoirs. Selon certaines simulations numériques, la lutte entre l'onde de choc et l'avalanche de matière accrétée fait vibrer le coeur de l'étoile. Amplifiées par la puissante gravitation du coeur, ces vibrations ou ondes acoustiques atteignent sa surface et transmettent leur énergie au milieu environnant. Ainsi après l'onde de choc créée par le rebond et après la légion de neutrinos qui l'ont suivie, le coeur interne envoie une troisième « armée » à l'extérieur pour repousser l'avalanche qui lui tombe dessus. Cette fois ci ce sont des ondes sonores qui se propagent vers « le champ de mines », et font exploser l'étoile du moins selon certaines simulations. Ces vibrations sont représentées en petites lignes ondulatoires jaunes ou vertes à l'intérieur du premier cercle jaune.
Toutefois le mystère de la mort des étoiles massives reste entier.
Quarks, leptons, bosons, les particules élémentaires
2012-2013 - huile sur toile 22 x 27 cm - 250 €
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