L’apparition de la matière et la baryogénèse

Paul Dirac
Paul Dirac, Bristol 1902 – Tallahassee 1984, l’un des pères fondateurs de la mécanique quantique et découvreur de l’antimatière. Crédit : Wikimedia commons

La fin de l’ère inflationnaire se produit vers 10-32 seconde. La période qui suit va être marquée par l’apparition de la matière et de l’antimatière à partir du vide quantique.

Les particules virtuelles deviennent réelles

Jusqu’à la fin de l’ère inflationnaire, l’Univers était vide au sens quantique du terme. Il ne contenait pas de matière réelle, mais, grâce au principe d’incertitude de la mécanique quantique, des particules et des antiparticules virtuelles surgissaient incessamment du néant pour y retourner aussitôt. Ce qui manquait à ces particules pour devenir réelles, c’était une source d’énergie.

Rappelons que le phénomène à l’origine de l’inflation est la séparation entre la force nucléaire forte et l’interaction électrofaible qui étaient auparavant unifiées. La transition de phase qui clôt l’ère inflationnaire s’accompagne d’une formidable injection d’énergie dans tout l’Univers. Les particules et antiparticules virtuelles vont alors s’approprier cette énergie pour entrer dans le monde réel. La fin de l’inflation marque ainsi l’apparition de la matière et de l’antimatière dans l’Univers.

L’asymétrie matière-antimatière

Un autre phénomène crucial qui se produit est l’apparition d’une asymétrie entre matière et antimatière.

Lorsqu’une particule virtuelle apparaît en empruntant de l’énergie au vide, elle est toujours accompagnée d’une antiparticule virtuelle car la charge électrique de l’ensemble doit rester nulle. On aurait dont pu s’attendre à la création de quantités identiques de particules et d’antiparticules pendant cette phase du Big Bang. La matière et l’antimatière se serait alors annihilées et l’Univers ne contiendrait que des photons, mais ni étoiles, ni planètes, ni vie.

L’Univers contient évidemment plus de matière que d’antimatière. Il doit donc exister à un certain niveau une asymétrie entre matière et antimatière. L’origine de cette asymétrie (on parle de baryogénèse) est encore un sujet de recherche et il n’y a aucune certitude sur ce sujet.

Les bosons X

Citons en guise d’illustration une explication possible dans les théories de grande unification qui font appel au concept de bosons X. D’après ces théories, la période de grande unification qui précède l’inflation est caractérisée par la présence des bosons X qui sont capables de transformer les quarks en leptons et vice versa. Lorsque la force nucléaire forte et l’interaction électrofaible se dissocient, ces bosons se désintègrent peu à peu.

La particularité de ce phénomène est qu’il ne respecte pas la symétrie entre matière et antimatière. Ainsi, pour un mode de désintégration donné, la probabilité qu’un boson X donne naissance à un quark n’est pas exactement égale à la probabilité qu’un antiboson X donne naissance à un antiquark. Ainsi, l’équilibre initial entre bosons X et antibosons X est rompu et remplacé par un léger déséquilibre entre quarks et d’antiquark. Après la disparition des bosons X, on compte seulement un milliard d’antiquarks pour un milliard et un quarks.

Plus tard, après l’annihilation mutuelle de la matière et de l’antimatière, cette différence infime permettra à la matière de finalement prendre le dessus et à l’Univers tel que nous le connaissons de se développer.

Une expansion calmée

Après la période d’inflation, l’Univers s’installe dans un rythme d’expansion beaucoup plus lent, similaire à celui que nous observons de nos jours. Rien de spécial ne se produit jusqu’à 10-12 seconde. A cette époque, la température est de l’ordre d’un million de milliards (1015) de degrés, le seuil en dessous duquel les interactions électromagnétique et faible ne sont plus unifiées.

Les deux forces se dissocient donc et l’Univers connaît une dernière transition de phase qui, contrairement à la précédente, se passe en douceur sans effet majeur. A partir de ce moment, l’Univers est régi par les quatre forces distinctes que nous observons encore de nos jours.