Les problèmes majeurs de physique à résoudre

Ecrit pour le groupe « Astrophysique, astronomie, physique quantique » par Thomas Boisson Les problèmes majeurs de physique à résoudre Partie 1 – Problèmes majeurs actuellement ouverts en cosmologie et physique quantique Dans ce post, je vous propose un petit récapitulatif des problèmes majeurs actuellement ouverts (= irrésolus) en cosmologie et physique quantique et qui représentent une très grande part des recherches menées aujourd'hui. I). Futur de l'Univers Quel destin attend notre Univers ? Voici les modèles actuellement proposés : - Big Rip - Big Crunch (progressivement abandonné) - Big Freeze - Big Bounce - Univers cyclique II). Matière noire Quelle est la nature de la matière noire ? Les phénomènes de lentilles gravitationnelles et les variations de vitesses galactiques sont-elles bien le fait de la matière noire ou proviennent-elles seulement d'un modèle gravitationnel étendu ? Les derniers résultats de Planck ont apporté quelques réponses mais beaucoup reste à découvrir. III). Topologie de l'Univers Quelle est la forme de l'Univers ? Quelle est sa structure ? Est-il une sphère ? Un dodécaèdre (JP Luminet) ? Que suggère la courbure presque nulle observée ? IV). Modèle inflationnaire Le modèle de l'inflation cosmique est-il correct ? Explique-t-il réellement de manière satisfaisante les problèmes de la platitude et de l'horizon ? Quelle est la nature du champ inflation ? Comment l'inflation a-t-elle pu surpasser l'énergie opposée par les fluctuations quantiques ? V). Dimensions supplémentaires Existe-il des dimensions supplémentaires comme le postule la théorie des cordes et celle des supercordes ? Pourquoi sont-elles restées enroulées ? Est-il possible de les observer ? Sontelles intrinsèques à l'espace-temps ou sont-elles des phénomènes émergents ? VI). Energie noire L'énergie noire est-elle bien la cause de l'accélération de l'expansion ? Quelle est sa nature ? Est-elle la constante cosmologique ou bien autre chose (quintessence, f-gravité etc.) ? Pourquoi sa densité énergétique est environ la même que celle de la matière ? VII). Asymétrie matière-antimatière Pourquoi observe-t-on une absence d'antimatière aujourd'hui ? Quel est le processus à l'origine de la baryogénèse ? Quand est-ce arrivé ? 1/6 Ecrit pour le groupe « Astrophysique, astronomie, physique quantique » par Thomas Boisson VIII). Paradoxe de l'information L'information tombant dans les trous noirs est-elle détruite définitivement ? Si oui, comment la conservation de l'information peut-elle être violée ? Si non, est-elle restituée par évaporation telle que le postule la dualité jauge-gravité ? IX). Gravité quantique La mécanique quantique et la relativité générale peuvent-elles être unifiées ? Si oui, comment ? Les théories à gravité quantique actuelles sont-elles pertinentes (théorie des cordes, gravité quantique à boucles etc.) ? La gravité est-elle vectorisée par un boson (graviton) ou est-elle le produit d'un espace-temps discret ? X). Principe de censure cosmique Peut-il exister des singularités nues (non-cachées par un horizon) ? Si oui, dans quelle circonstance ? Si non, pourquoi le principe de censure cosmique est-il pertinent ? Quelle est la réelle nature d'une singularité ? XI). Ondes gravitationnelles L'espace-temps agité génère-t-il réellement des ondes gravitationnelles ? Si oui, la description qu'en fait la RG est-elle pertinente ? Peut-on les détecter ? Existe-il des ondes gravitationnelles primordiales ? Note : cette découverte a déjà été faite : détection LIGO d’onde gravitationnelle de la fusion de 2 trous noirs XII). Temps Quelle est la nature du Temps ? Quelle est sa structure ? Son comportement ? Comment le décrire ? Est-il continu (RG) ou discret (LQG) ? XIII). Alignement écliptique des anisotropies du CMB Pourquoi certaines anisotropies du fond diffus cosmologique sont-elles alignées avec le plan du système solaire ? Le principe de Copernic est-il violé ? Est-ce simplement une coïncidence ? Une erreur de Planck ? XIV). Catastrophe du vide Pourquoi existe-t-il une différence de 107 ordres de grandeur entre la prédiction théorique basée sur la théorie quantique des champs et les mesures de Voyager concernant l'énergie quantique du vide ? Si cette énergie est si élevée, pourquoi n'entraine-t-elle pas plus d'effets sur l'expansion de l'Univers ? XV). Localité Le principe de localité est-il valable en toute circonstance ? Existe-t-il réellement des phénomènes de non-localité en mécanique quantique ? Si oui, violent-ils le principe de localité ? Quelle est la réelle nature de l'intrication ? 2/6 Ecrit pour le groupe « Astrophysique, astronomie, physique quantique » par Thomas Boisson Partie 2 – Problèmes majeurs ouverts en physique des particules et en physique nucléaire Après avoir traité, dans un post précédent, les problèmes majeurs ouverts en cosmologie et physique quantique, ce post propose un récapitulatif des principaux problèmes majeurs ouverts cette fois-ci en physique des particules et en physique nucléaire. I). Générations fermioniques Quel est le phénomène permettant d'expliquer que le Modèle Standard contient trois générations de fermions (quarks et leptons) ? Pour quelle(s) raison(s) les masses et les saveurs des fermions diffèrent-elles selon les générations alors que leurs interactions, elles, sont identiques ? Existe-t-il une théorie empirique (de type couplages de Yukawa) permettant d'expliquer la masse des fermions à chaque génération ? II). Monopôles magnétiques Existe-t-il des charges magnétiques ? Des monopôles magnétiques ont-ils existé à une époque où l'énergie de l'Univers était élevée (> 10^12 GeV) ? Si oui, comment se sont-ils formés ? Existent-ils encore ? Les monopôles magnétiques introduits par Dirac sont-ils cohérents (mathématiquement et physiquement) bien que Maxwell ait démontré leur inexistence ? III). Fusion nucléaire Quels seuils minimaux doivent être atteints pour enclencher des processus de fusion ? Quels matériaux doivent être privilégiés ? Le confinement inertiel plasmatique par champ magnétique est-il suffisamment efficace pour contrôler une fusion ? Une fusion auto-entretenue est-elle envisageable ? Si oui, à quelles conditions ? Avec quel substrat ? IV). Problème de la hiérarchie Pour quelle(s) raison(s) l'interaction gravitationnelle est-elle aussi faible face aux autres interactions ? Quel mécanisme explique que celle-ci devienne intense à l'énergie et l'échelle de Planck ? Pour quelle(s) raison(s) ne devient-elle pas intense à l'échelle électrofaible ? V). Liberté asymptotique Pour quelle(s) raison(s) n'observe-t-on pas de quarks ou de gluons à l'état libre ? De quelle nature est l'exigence imposant leur confinement ? Comment la constante de couplage émerge-t-elle de la chromodynamique quantique ? Le plasma quarks-gluons reproduit en laboratoires est-il réellement le même que celui qui régnait dans les premiers instants de l'Univers ? 3/6 Ecrit pour le groupe « Astrophysique, astronomie, physique quantique » par Thomas Boisson VI). Neutrinos Quel mécanisme précis explique l'oscillation des neutrinos ? Quelle est la masse de chaque saveur de neutrino ? Sont-ils des particules de Dirac ou de Majorana ? La phase de la violation charge-parité (symétrie CP) est-elle nulle ? Pourquoi la chiralité des neutrinos est-elle un invariant de Lorentz ? Existe-il un quatrième neutrino plus lourd appelé "neutrino stérile" ? Peut-on observer une double désintégration bêta sans émission de neutrinos ? Si oui, sous quelles conditions la conservation du nombre leptonique peut-elle être violée ? VII). Noyaux atomiques Quelle est la nature du neutronium au cœur des étoiles à neutrons ? Quelle est la réelle nature de la force nucléon-nucléon ? Quels sont les mécanismes thermonucléaires précis entraînant les supernovas ? VIII). Protons Comment les quarks et les gluons participent-ils précisément au spin du proton ? Le proton est-il stable ? Si oui, quel est le mécanisme à l'origine de cette stabilité ? Si non, quelles seront les conséquences de cette instabilité à tous les niveaux ? Quelle est la véritable valeur du rayon du proton ? Est-il nécessaire de modifier la chromodynamique quantique pour l'expliquer ? IX). Moment magnétique anomal du muon Pour quelle raison la valeur théorique du moment magnétique du muon diffère-t-elle de trois écarts-type avec la valeur expérimentale mesurée ? X). Problème CP fort Pour quelles raisons la chromodynamique quantique ne viole-t-elle pas la symétrie CP alors que théoriquement elle est censée le faire ? La théorie de Peccei-Quinn résout-elle ce problème de façon satisfaisante ? XI). Boson de Higgs Le boson de Higgs est-il réellement responsable de la brisure de symétrie électrofaible ? Est-ce lui qui confère leur masse aux particules élémentaires ? Ou bien une théorie telle que la Technicouleur est-elle plus satisfaisante ? Pour quelles raisons retrouve-t-on un problème de la hiérarchie affectant le boson de Higgs ? XII). Modèle de la supersymétrie La supersymétrie est-elle une théorie convaincante ? Si oui, comment a-t-elle pu être brisée ? La supersymétrie apparaît-elle bien à l'échelle du TeV comme prédit ? Le superpartenaire léger peut-il être à l'origine de la matière noire ? 4/6 Ecrit pour le groupe « Astrophysique, astronomie, physique quantique » par Thomas Boisson Partie 3 – Problèmes majeurs ouverts actuellement dans le domaine de l'astrophysique Dans ce nouveau post, qui fait suite aux deux premiers, je vous propose un récapitulatif des problèmes majeurs ouverts actuellement dans le domaine de l'astrophysique. I). Falaise de Kuiper Pour quelle raison le nombre d'objets de rayon supérieur à 100km dans la ceinture de Kuiper chute brutalement au-delà de 50 UA ? Ce phénomène est-il dû au caractère trop épars des matériaux situés au-delà de cette limite ? Ou bien à la présence d'un objet inconnu de type super-Pluton ? II). Champ magnétique des magnétars Quel processus est à l'origine du champ magnétique des magnétars ? Quel mécanisme peut expliquer leur intensité (10^11 T) ? Le modèle de la dynamo magnétohydrodynamique est-il convaincant ? III). Hyperthermie de la couronne solaire Pour quelle raison la température de la couronne solaire est-elle des millions de fois plus élevée que celle de la surface solaire ? Les modèles de l'onde thermique ou de la reconnexion magnétique sont-ils des candidats satisfaisants pour répondre à cette question ? Quel est le mécanisme qui explique la rapidité imprévue avec laquelle les phénomènes de reconnexion magnétique se réalisent alors que le modèle standard solaire prévoie une rapidité bien moindre ? IV). Paradoxe de la rotation galactique Pour quelle raison la vitesse théorique des étoiles orbitant autour du centre galactique est elle différente de la vitesse mesurée expérimentalement ? La matière sombre permet-elle d'expliquer cette différence ? V). Crise des photons ultraviolets Quel processus permet d'expliquer que les galaxies et les quasars émettent cinq fois moins de rayonnement ultraviolet que les prédictions des simulations ? VI). Bandes d'absorptions interstellaires Quel phénomène est à l'origine des bandes d'absorptions observées dans le spectre des objets de la Voie Lactée ? Le modèle des hydrocarbones polycycliques aromatiques est-il scientifiquement cohérent ? La présence de molécules ou d'ions inconnus permet-elle d'expliquer cette absorption ? VII). Paradoxe GZK Comment des rayons cosmiques, effectivement détectés sur Terre (particule OMG), peuvent-ils posséder une énergie supérieure à la limite de Greisen-Zatsepin-Kuzmi ? VIII). Trous noirs supermassifs De quelle manière certains trous noirs de quasars ont pu atteindre des masses supérieures à 10^9 masses solaires dès les premiers instants de l'Univers ? Comment expliquer la relation M-sigma établissant un lien entre la vitesse de dispersion galactique et la masse du trou noir supermassif en son centre ? Quel est le processus exact à l'origine de la formation des trous noirs supermassifs ? 5/6 Ecrit pour le groupe « Astrophysique, astronomie, physique quantique » par Thomas Boisson IX). « Détonation radio spatiale » Pour quelle raison le signal radio détecté en 2009 par la NASA, provenant supposément d'une radiogalaxie, est-il six fois plus intense que prévu ? X). Vitesse de rotation intérieure de Saturne Quelle est la véritable vitesse de rotation intérieure de Saturne ? Quel mécanisme est à l'origine de l'anomalie dans la périodicité de sa magnétosphère ? XI). Interaction Soleil-comète Quel mécanisme permet d'expliquer la présence d'ions oxygènes, intrinsèques aux vents solaires, dans la queue de la comète McNaught détectée par Ulysses en 2007 ? XII). Jets relativistes Quel processus est à l'origine de l'émission de jets polaires relativistes depuis le disque d'accrétion de certains objets ? Pour quelle raison la fréquence d'émission est différente pour chaque objet ? Pour quelle raison la fréquence d'émission est presque périodique ? XIII). Pulsars ultralumineux Comment expliquer la présence de pulsars ultralumineux tel que M82 X-2 ? Comment un pulsar peut-il posséder une luminosité supérieure à la limite d'Eddington ? XIV). Relation âge-métallicité Quelle est l'origine et la nature de la relation âge-métallicité établie en 2004 après plusieurs observations dans le disque galactique épais ? XV). Anomalie fly-by Quel phénomène est à l'origine de l'augmentation d'énergie, traduite par un gain de vitesse, observée chez les engins et satellites en transit provisoire autour de la Terre ? Cette anomalie est-elle expliquée par un effet Doppler transverse ? Par des phénomènes gravitoélectromagnétiques ? Ou encore par un halo de matière sombre ? XVI). Problème du lithium Pour quelle raison existe-t-il une différence dans la quantité de lithium-7 supposément formée lors de la nucléosynthèse primordiale et la quantité mesurée expérimentalement ? Partie 4 – Conclusion Partie 1 – Problème non résolue en physique quantique et cosmologie : 15 Partie 2 – Problème non résolue en physique des particules et physique nucléaire : 12 Partie 3 – Problème non résolue en astrophysique : 16 Total – Nombre total d’élément à résoudre : 43 6/6