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 hadronsdont 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.
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