L’équivalence
masse-énergie
Les particules
nouvellement créées n’ont pas une existence de tout repos. Du fait des énormes
densités de matière et d’énergie, elles interagissent sans arrêt et de
désintègrent rapidement pour créer de nouvelles particules.
Cette capacité à
se métamorphoser s’explique par une pierre angulaire de la théorie de la
relativité, l’équivalence masse-énergie, qui, comme son nom l’indique, énonce
que la masse et l’énergie peuvent se transformer l’une en l’autre Ainsi, un
électron et son antiparticule qui entrent en collision vont généralement
disparaître et donner naissance à des photons, donc à de l’énergie pure.
Inversement, des photons peuvent interagir et donner naissance par exemple à un
couple électron-antiélectron.
Ce genre de
transformation est constamment en jeu à l’époque car la grande densité de
matière facilite les interactions et car l’énergie moyenne élevée permet la
création de n’importe quelle particule. Les événements qui se déroulent dans
les fractions de seconde qui suivent le Big Bang sont déterminés par l’énergie
des diverses particules présentes, qui franchit plusieurs seuils en
décroissant.
L’équivalence
masse-énergie en action : test de bombe atomique en 1953 dans le désert du
Nevada. Dans une telle explosion, seule une faible fraction de la masse
originale est convertie en énergie, contrairement à une annihilation totale de
particules. Crédit : U.S.
Department of Energy
Le confinement
des quarks
A un millionième
de seconde, les quarks sont devenus suffisamment dociles pour que la force
nucléaire forte soit capable de les contraindre à vivre en groupe de deux ou
trois. C’est l’apparition des nucléons qui composeront plus tard les noyaux
atomiques : proton et neutron. Les quarks ne seront quant à eux jamais revus à
l’état isolé.
L’annihilation
des nucléons et des électrons
Protons, neutrons
et leurs antiparticules continuent à apparaître et à disparaître sous l’effet
du principe d’équivalence. Mais à un dix millième de seconde, l’énergie moyenne
des photons a baissé au point que ces derniers ne sont plus capables de
produire de paires nucléon-antinucléon. La réaction inverse, par contre, reste
possible, un proton et un antiproton peuvent par exemple toujours encore se
désintégrer lors d’une collision.
La conséquence de
ce déséquilibre est une annihilation presque complète des nucléons et de leurs
antiparticules. Cette annihilation ne sera heureusement pas totale car les
processus ayant donné naissance à la matière avaient légèrement favorisé les
quarks par rapport aux antiquarks, d’où la survie d’une infime fraction des
protons et des neutrons.
Un peu plus tard,
vers une seconde, se produit un phénomène similaire, cette fois-ci lorsque
l’énergie des photons devient insuffisante pour donner naissance à un couple
électron-antiélectron. La population d’antiélectrons disparaît et seuls
quelques électrons échappent à l’annihilation.
Visualisation d’une
collision entre ions lourds dans l’accélérateur RHIC du Brookhaven Lab. Ce
genre d’expérience permet d’atteindre des énergies où les quarks se retrouvent
à l’état libre comme lors des premières fractions de secondes du Big Bang.
Crédit : RHIC/BNL
La fin de
l’équilibre entre protons et neutrons
Cette
annihilation va avoir un effet important sur la proportion relative des deux
types de nucléons. Les populations de protons et de neutrons vivaient
jusqu’alors dans une sorte d’équilibre et de parité, chacune des deux
particules étant capable de se transformer en l’autre. Mais lorsque l’Univers
atteint un âge de quelques secondes, l’équilibre vacille.
En effet, le
neutron est capable de spontanément se transformer en son acolyte sans aide
extérieure, alors que la réaction inverse est impossible en l’absence
d’électron. Lorsque le nombre d’électrons s’effondre, la situation d’équilibre
laisse donc place à des désintégrations en sens unique. La proportion relative
des deux particules va se mettre à évoluer rapidement en faveur du proton.
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