Notes sur le phénomène du Big Bang: la grande unification, Notes de Astronomie
Caroline_lez
Caroline_lez9 January 2014

Notes sur le phénomène du Big Bang: la grande unification, Notes de Astronomie

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Notes d'astronomie sur le phénomène du Big Bang: la grande unification. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: la théorie électrofaible, la chromodynamique quantique, Un exemple de grande unification,
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Phénomène du Big Bang : Grande

unification

La théorie électrofaible et la chromodynamique quantique traitent de la matière dans des

conditions observables sur Terre. Mais les premiers instants de l'Univers sont marqués par des

températures et des densités bien au-delà de ce que nous sommes capables de reproduire.

Seules des études purement théoriques peuvent donc nous aider à comprendre comment

particules et forces se comportaient à l'époque.

Nous avons vu que lorsque l'énergie des particules en jeu atteint un certain seuil, les

interactions électromagnétique et faible se confondent pour n'être plus qu'une : l'interaction

électrofaible. De la même façon, si l'on augmente encore l'énergie moyenne des particules,

arrive un moment où la force nucléaire forte vient s'unir à l'interaction électrofaible. Ceci se

produit lorsque l'énergie atteint un niveau équivalent à une température de l'ordre de 10^28

kelvins.

D'énormes progrès ont été accomplis dans ce domaine depuis les années 1970. Plusieurs

théories, dites de grande unification, sont nées et ont essayé de donner une description unifiée

de la force électromagnétique et des forces nucléaires faible et forte. Cependant, aucune n'a

vraiment pris le dessus sur ses rivales. Ces théories sont en effet très difficiles à départager car

il n'existe pas d'accélérateur suffisamment puissant pour tester leurs prédictions. Les meilleurs

accélérateurs actuels fournissent une énergie équivalente à 10^15 kelvins, mais, d'après les

théories de grande unification, les interactions électrofaible et forte ne se confondent que

lorsque la température atteint 10^28 kelvins. On est donc très loin du compte et il ne semble

guère possible pour l'instant de déterminer la meilleure théorie.

Un exemple de grande unification

En guise d'exemple, nous pouvons considérer la théorie de grande unification connue sous le

nom de SU(5). D'après celle-ci, l'interaction unifiée se fait à travers 24 particules différentes,

parmi lesquelles on trouve le photon, les trois bosons vecteurs intermédiaires et les huit

gluons. Il doit donc exister, en plus des particules connues, huit nouvelles particules que les

théoriciens ont baptisées bosons-X. Ces huit nouveaux porteurs se distinguent des autres par

leur capacité à lier quarks et leptons. D'après la théorie, en effet, l'échange d'un boson-X est

capable de transformer un quark en un lepton et vice-versa, ce qui n'est possible avec aucune

autre interaction.

Comme nous le verrons plus tard, c'est ce potentiel des bosons-X qui est probablement à

l'origine de l'asymétrie entre matière et antimatière, et qui a permis à la première de prendre le

dessus sur la seconde. La possibilité de transformation des quarks en leptons est également la

raison pour laquelle les physiciens pensent que le proton n'est pas éternel. Un proton n'est en

effet qu'un amas de trois quarks. Il suffit que l'un de ces quarks se transforme en lepton pour

que l'amas se désintègre. La probabilité d'un tel événement est cependant très faible, ce qui

explique que la durée de vie du proton est énorme, d'au moins 10^31 ans.

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