Le confinement des quarks et l’ère hadronique


Après la dernière transition de phase vers 10-12 seconde après le temps zéro, l’expansion continue et s’accompagne d’une chute de la température. Lorsque celle-ci atteint 1013 degrés, vers un millionième de seconde, une nouvelle étape se produit : le confinement des quarks.

Le confinement des quarks

Du fait de l’énorme température moyenne de l’Univers jusque-là, les quarks étaient trop agités pour se soumettre à la force nucléaire forte. Ils pouvaient ainsi vivre leur vie de manière autonome sans se soucier de leurs congénères. Mais à 1013 degrés l’agitation thermique des particules est suffisamment faible pour que la force nucléaire forte prenne le contrôle.

Ainsi, lorsque l’Univers est âgé d’un millionième de seconde, l’interaction forte oblige les quarks à s’associer entre eux et à former des ensembles plus complexes. Apparaissent alors pour la première fois les hadrons dont il existe deux types : les mésons, formés d’un quark et d’un antiquark, mais surtout les baryons, association de trois quarks. On note en particulier la naissance des deux baryons qui composent la matière ordinaire : le proton et le neutron. A partir de ce moment, la force nucléaire forte est toute puissante, les quarks perdent leur liberté et se retrouvent emprisonnés.

L’ère hadronique

La période qui commence alors et qui va durer jusqu’à un âge d’un dix-millième de seconde est appelée l’ère hadronique. Celle-ci est dominée par des réactions qui transforment hadrons en photons et vice versa. A une température de 1013 degrés, l’équivalence entre masse et énergie est en jeu de manière permanente. Lorsqu’un proton et un antiproton se rencontrent, les deux particules se détruisent mutuellement et disparaissent. Leur masse est convertie en énergie sous la forme de deux photons. La réaction inverse se produit également. Deux photons qui se rencontrent peuvent ainsi disparaître en donnant naissance à une paire baryon-antibaryon.

L’ère hadronique est ainsi dominée par l’incessante production puis annihilation de paires neutron-antineutron ou proton-antiproton. Ces réactions ne vont cependant pas durer très longtemps. En effet, l’énergie moyenne des photons à une époque donnée est déterminée par la température de l’Univers. A 1013 degrés, l’énergie d’un photon est à peu près équivalente à la masse d’un proton ou d’un neutron. Les photons sont donc suffisamment énergétiques pour donner naissance à ces particules. Mais, du fait de l’expansion de l’Univers, la température du rayonnement baisse et l’énergie moyenne des photons décroît pour finir par passer sous le seuil nécessaire à la création d’un couple de baryons.

L’annihilation baryons-antibaryons

La réaction inverse, l’annihilation, n’est pas affectée puisqu’elle ne nécessite pas d’énergie. Ainsi, la production de paires se fait de plus en plus rare, alors que les annihilations continuent toujours à un rythme effréné. Par conséquent, le nombre de particules chute fortement : la baisse de la température conduit à une quasi-disparition des protons et des neutrons.

La fin de l’ère hadronique ne marque cependant pas la disparition complète des baryons. En effet, lorsque les quarks sont nés après l’inflation, les processus physiques mis en jeu présentaient une asymétrie entre matière et antimatière. Cette asymétrie se retrouve au niveau des baryons. Ainsi, après le confinement des quarks, il y a un milliard et un neutrons pour un milliard d’antineutrons. La particule en trop ne trouve pas de partenaire pour s’annihiler et survit donc au brasier.

Lorsque l’ère hadronique s’achève, à un dix-millième de seconde, les antiprotons et antineutrons ont complètement disparu, mais un milliardième des protons et neutrons d’origine ont survécu. L’antimatière a perdu sa première bataille contre la matière.


Page mise à jour le 30 août 2017 par Olivier Esslinger