Le découplage des neutrinos et l’ère leptonique


Après l’ère hadronique, à un dix-millième de seconde, commence l’ère leptonique. Les photons n’ont plus assez d’énergie pour créer des protons, mais, puisque l’électron a une masse 2000 fois plus faible qu’un proton, ils peuvent encore créer des électrons. L’Univers est donc dominé par les réactions de production et d’annihilation de paires électron-antiélectron.

Le découplage des neutrinos

Le premier événement important de l’ère leptonique est le découplage des neutrinos qui se produit lorsque la température atteint les 10 milliards de degrés, quelques dixièmes de seconde après le temps zéro. Auparavant, les neutrinos étaient constamment en interaction avec le reste des particules par le biais de la force nucléaire faible. Mais cette dernière à une portée relativement limitée et ne s’applique que lorsque les particules sont suffisamment proches. Or, du fait de l’expansion de l’Univers, la distance moyenne entre particules augmente et arrive donc un point où cette séparation moyenne est trop grande pour l’interaction faible.

Les neutrinos perdent alors le seul lien qui les reliait au reste de la matière. Ils vont dorénavant être insensibles à l’action des autres particules et se comporter comme si celles-ci n’existaient pas. On dit que les neutrinos se découplent de la matière. Ces neutrinos primordiaux, puisqu’ils n’interagissent plus, sont toujours encore présents dans l’Univers.

L’annihilation des électrons et des antiélectrons

Le deuxième événement important de l’ère leptonique est l’annihilation des électrons et des antiélectrons, qui se produit lorsque l’Univers est âgé d’environ une seconde. Rappelons qu’à la fin de l‘ère hadronique la température était tombée sous le seuil nécessaire à la création de paires proton-antiproton ou neutron-antineutron. De la même façon, il arrive un moment, vers un milliard de degrés, où la température passe sous le seuil de la création de paires électron-antiélectron.

Les incessantes créations et annihilations qui maintenaient un équilibre sont remplacées par des réactions en sens unique : la grande majorité des paires électron-antiélectron se se détruisent mutuellement. Cependant, la légère asymétrie matière-antimatière qui avait permis à quelques baryons de survivre pendant l’ère hadronique est encore au travail, agissant de manière similaire et dans les mêmes proportions. Elle provoque la disparition totale des antiélectrons et permet la survie d’une faible proportion d’électrons.

La fin de l’ère leptonique voit donc l’effacement total de l’antimatière. L’Univers ne contient plus dorénavant que de la matière ordinaire formée de protons, de neutrons et d’électrons.

La proportion relative des protons et neutrons

Le proton peut être considéré comme une particule stable puisque sa durée de vie, bien que n’étant pas connue exactement, est en tout cas supérieure à 1033 ans. Le neutron, par contre, n’est pas stable. Isolé, il se désintègre avec un temps caractéristique d’une quinzaine de minutes, en donnant naissance à un proton, un électron et un antineutrino. Ainsi, en partant d’un mélange de protons et de neutrons dans des proportions identiques, la tendance va être à une diminution du nombre de neutrons et à une augmentation de la population de protons.

Pendant l’ère leptonique, les électrons interviennent pour réguler le nombre de baryons. Ils le font par l’intermédiaire de l’interaction faible qui peut lors de la collision d’un électron et d’un proton provoquer la transformation de ce dernier en un neutron. Cette réaction, qui agit dans le sens opposé à la désintégration du neutron, établit un équilibre et permet aux deux types de baryons de rester dans des proportions semblables.

Mais avec la disparition des électrons à la fin de l’ère leptonique, protons et neutrons se retrouvent isolés. Petit à petit, les neutrons vont se transformer en protons mais les protons eux sont stables. La proportion relative des deux types de particules va graduellement changer. Alors que pendant l’ère leptonique, il y avait autant de neutrons que de protons, la matière va dorénavant être dominée par les protons.


Page mise à jour le 30 août 2017 par Olivier Esslinger