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

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

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Notes d'astronomie sur le phénomène du Big Bang: l'ère leptonique. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: Le découplement des neutrinos, L'annihilation des électrons et des antiélectrons.
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Phénomène du Big Bang : Ere

leptonique

A un dix millième de seconde commence l'ère leptonique. L'Univers est alors dominé par les

réactions de production et d'annihilation de paires de leptons. En effet, l'électron a par exemple

une masse 2000 fois plus faible qu'un proton et les photons ont donc besoin de 2000 fois

moins d'énergie pour créer un électron qu'un proton.

Le découplement des neutrinos

Le premier événement important de l'ère leptonique est le découplement des neutrinos, qui se

produit lorsque la température atteint les 10 milliards de kelvins, à quelques dixièmes de

seconde. Auparavant, les neutrinos étaient constamment en interaction avec le reste des

particules par le biais de la force nucléaire faible. Mais cette dernière à une portée relativement

limitée et ne s'applique que lorsque les particules sont suffisamment proches. Or, du fait de

l'expansion, la densité de matière de l'Univers baisse peu à peu, alors que la distance moyenne

entre particules augmente.

Ainsi arrive un point où cette séparation moyenne est trop grande pour l'interaction faible. Les

neutrinos perdent alors le seul lien qui les reliait au reste de la matière. Ils vont dorénavant être

insensibles à l'action des autres particules et se comporter comme si celles-ci n'existaient pas.

On dit que les neutrinos se découplent de la matière. Ces neutrinos primordiaux, puisqu'ils

n'interagissent plus, sont toujours encore présents dans l'Univers.

L'annihilation des électrons et des antiélectrons

Le deuxième événement important de l'ère leptonique est l'annihilation des électrons et des

antiélectrons, qui se produit lorsque l'Univers est âgé d'environ une seconde. Nous avons vu

comment, à la fin de l'ère hadronique, la température était tombée sous le seuil nécessaire à la

création de paires proton-antiproton ou neutron-antineutron. De la même façon, il arrive un

moment, vers un milliard de kelvins, où la température passe sous le seuil de la création de

paires électron-antiélectron.

Les incessantes créations et annihilations de paires, qui maintenaient l'équilibre, se voient alors

remplacées par des réactions qui ne se font plus que dans un seul sens, celui de la disparition

des électrons et des antiélectrons. La grande majorité de ces particules se détruit mutuellement

à la fin de l'ère leptonique. Cependant, la légère asymétrie matière-antimatière qui avait permis

à quelques baryons de survivre est encore au travail, agissant de manière similaire et dans les

mêmes proportions. Elle provoque la disparition totale des antiélectrons et permet la survie

d'une faible proportion d'électrons. La fin de l'ère leptonique voit l'effacement total de

l'antimatière. L'Univers ne contient plus dorénavant que de la matière ordinaire, formée de

protons, de neutrons et d'électrons.

La quasi-disparition des électrons a une conséquence très importante sur l'équilibre des

neutrons et des protons, liée à la différence entre ces particules en ce qui concerne leur

capacité à se désintégrer. Le proton peut être considéré comme stable puisque sa durée de vie,

bien que n'étant pas exactement connue, est en tout cas supérieure à 10^30 ans. Le neutron,

par contre, n'est pas stable. Isolé, il se désintègre avec un temps caractéristique d'une

quinzaine de minutes, en donnant naissance à un proton, un électron et un antineutrino.

Ainsi, en partant d'un mélange de protons et de neutrons dans des proportions identiques, la

tendance va être à une diminution du nombre de neutrons et à une augmentation de la

population de protons. Pendant l'ère leptonique, cependant, les électrons, qui sont encore très

nombreux, interviennent pour réguler le nombre de baryons. Ils le font par l'intermédiaire de

l'interaction faible qui peut, lors de la collision d'un électron et d'un proton, provoquer la

transformation de ce dernier en un neutron. Cette réaction, qui agit dans le sens opposé à la

désintégration du neutron, établit un équilibre et permet aux deux types de baryons de rester

dans des proportions semblables.

Mais avec la disparition des électrons, protons et neutrons se retrouvent isolés. La réaction ci-

dessus ne peut plus se produire et maintenir l'équilibre. Petit à petit, les neutrons vont se

transformer en protons et la proportion relative des deux types de particules va graduellement

changer. Alors que pendant l'ère leptonique, il y avait autant de neutrons que de protons, la

matière va dorénavant être dominée par les protons.

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