L’apparition
de la matière et la baryogénèse
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
comme origine possible
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
plus calme
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.
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