Notes sur le phénomène du Big Bang: l'ère hadronique, Notes de Astronomie
Caroline_lez
Caroline_lez10 January 2014

Notes sur le phénomène du Big Bang: l'ère hadronique, Notes de Astronomie

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Notes d'astronomie sur le phénomène du Big Bang: l'ère hadronique. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: Introduction, L'ère hadronique.
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Phénomène du Big Bang : Ere

hadronique

Après la dernière transition de phase, l'expansion continue lentement, accompagnée d'une

chute de la température. Lorsque celle-ci atteint 10^13 kelvins, vers un millionième de

seconde, une nouvelle étape se produit : le confinement des quarks. Jusqu'alors, ces derniers

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 10^13 kelvins, 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 complexes. Apparaissent alors les deux types

de hadrons dont nous avons parlés : 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 les plus connus, 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 dans des

hadrons.

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 inversement. A une température de 10^13 kelvins, l'équivalence entre masse et

énergie est en jeu de manière permanente. Par exemple, 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 dont l'énergie totale correspond à la masse

du couple proton-antiproton. 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 de paires neutron-antineutron

ou proton-antiproton et par l'annihilation de celles-ci. Ces réactions de production et

d'annihilation ne vont cependant pas durer. En effet, l'énergie moyenne des photons à une

époque donnée est déterminée par la température de l'Univers. A 10^13 kelvins, l'énergie d'un

photon est à peu près équivalente à la masse d'un proton ou d'un neutron. De cette façon, les

photons sont suffisamment énergétiques pour être en mesure de donner naissance à ces

particules et les réactions précédentes sont possibles dans les deux sens. Mais, du fait de

l'expansion, la température du rayonnement va baisser. En conséquence, l'énergie moyenne des

photons décroît et finit par passer sous le seuil nécessaire à la création d'un couple de baryons.

La réaction inverse, par contre, 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. Puisque les réactions qui détruisent les baryons se poursuivent,

alors que celles qui en créent stoppent, le nombre de particules chute fortement. La baisse de

la température conduit ainsi 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, nous avons vu que lorsque les quarks naissent après l'inflation, les processus physiques

mis en jeu ne sont pas totalementsymétriques du point de vue de la matière et de l'antimatière.

Cette asymétrie se retrouve au niveau des baryons. Ainsi, après le confinement des quarks, il y

a pour un milliard d'antineutrons un milliard et un neutrons. 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 originaux ont survécu. L'antimatière a perdu sa première

bataille contre la matière.

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