La première seconde de l’Univers


L’équivalence masse-énergie

Les particules nouvellement créées n’ont pas une existence de tout repos. Du fait des énormes densités de matière et d’énergie, elles interagissent sans arrêt et de désintègrent rapidement pour créer de nouvelles particules.

Cette capacité à se métamorphoser s’explique par une pierre angulaire de la théorie de la relativité, l’équivalence masse-énergie, qui, comme son nom l’indique, énonce que la masse et l’énergie peuvent se transformer l’une en l’autre Ainsi, un électron et son antiparticule qui entrent en collision vont généralement disparaître et donner naissance à des photons, donc à de l’énergie pure. Inversement, des photons peuvent interagir et donner naissance par exemple à un couple électron-antiélectron.

Ce genre de transformation est constamment en jeu à l’époque car la grande densité de matière facilite les interactions et car l’énergie moyenne élevée permet la création de n’importe quelle particule. Les événements qui se déroulent dans les fractions de seconde qui suivent le Big Bang sont déterminés par l’énergie des diverses particules présentes, qui franchit plusieurs seuils en décroissant.

Bombe atomique

L’équivalence masse-énergie en action : test de bombe atomique en 1953 dans le désert du Nevada. Dans une telle explosion, seule une faible fraction de la masse originale est convertie en énergie, contrairement à une annihilation totale de particules. Crédit : U.S. Department of Energy

Le confinement des quarks

A un millionième de seconde, les quarks sont devenus suffisamment dociles pour que la force nucléaire forte soit capable de les contraindre à vivre en groupe de deux ou trois. C’est l’apparition des nucléons qui composeront plus tard les noyaux atomiques : proton et neutron. Les quarks ne seront quant à eux jamais revus à l’état isolé.

L’annihilation des nucléons et des électrons

Protons, neutrons et leurs antiparticules continuent à apparaître et à disparaître sous l’effet du principe d’équivalence. Mais à un dix millième de seconde, l’énergie moyenne des photons a baissé au point que ces derniers ne sont plus capables de produire de paires nucléon-antinucléon. La réaction inverse, par contre, reste possible, un proton et un antiproton peuvent par exemple toujours encore se désintégrer lors d’une collision.

La conséquence de ce déséquilibre est une annihilation presque complète des nucléons et de leurs antiparticules. Cette annihilation ne sera heureusement pas totale car les processus ayant donné naissance à la matière avaient légèrement favorisé les quarks par rapport aux antiquarks, d’où la survie d’une infime fraction des protons et des neutrons.

Un peu plus tard, vers une seconde, se produit un phénomène similaire, cette fois-ci lorsque l’énergie des photons devient insuffisante pour donner naissance à un couple électron-antiélectron. La population d’antiélectrons disparaît et seuls quelques électrons échappent à l’annihilation.

RHIC

Visualisation d’une collision entre ions lourds dans l’accélérateur RHIC du Brookhaven Lab. Ce genre d’expérience permet d’atteindre des énergies où les quarks se retrouvent à l’état libre comme lors des premières fractions de secondes du Big Bang. Crédit : RHIC/BNL

La fin de l’équilibre entre protons et neutrons

Cette annihilation va avoir un effet important sur la proportion relative des deux types de nucléons. Les populations de protons et de neutrons vivaient jusqu’alors dans une sorte d’équilibre et de parité, chacune des deux particules étant capable de se transformer en l’autre. Mais lorsque l’Univers atteint un âge de quelques secondes, l’équilibre vacille.

En effet, le neutron est capable de spontanément se transformer en son acolyte sans aide extérieure, alors que la réaction inverse est impossible en l’absence d’électron. Lorsque le nombre d’électrons s’effondre, la situation d’équilibre laisse donc place à des désintégrations en sens unique. La proportion relative des deux particules va se mettre à évoluer rapidement en faveur du proton.


Page mise à jour le 30 août 2017 par Olivier Esslinger