Notes sur le phénomène du Big Bang: matière, Notes de Astronomie
Caroline_lez
Caroline_lez9 January 2014

Notes sur le phénomène du Big Bang: matière, Notes de Astronomie

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Notes d'astronomie sur le phénomène du Big Bang: matière. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: introduction, Les constituants de la matière,
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Phénomène du Big Bang : Matière

Plusieurs méthodes indépendantes ont montré que l'Univers n'a pas toujours existé, mais qu'il

est en fait apparu il y a une quinzaine de milliards d'années. A cette époque reculée, les

propriétés de l'Univers étaient très différentes de ses propriétés actuelles. En effet, comme

l'Univers est en expansion, sa densité de matière, c'est-à-dire la quantité de matière contenue

dans un volume donné, baisse constamment. De façon similaire, la densité d'énergie moyenne

de l'Univers baisse, ce qui se traduit par une diminution de la température. Ainsi, plus on

remonte loin dans le temps, plus la densité de l'Univers est grande et plus sa température

moyenne est élevée.

En conséquence, les premiers temps sont caractérisés par des densités, des températures et

des énergies extraordinaires, des conditions que nous sommes dans l'impossibilité de recréer

sur Terre. Notre seul espoir consiste alors à recourir à la physique théorique et à essayer

d'extrapoler les lois de la physique ordinaire à ces conditions extrêmes. Pour comprendre les

phases primordiales de l'Univers, il nous faut donc commencer par un petit détour rapide du

côté de la physique des particules.

Les constituants de la matière

Commençons par la matière. Jusqu'au milieu du siècle dernier, la physique des particules était

relativement simple. Les seules particules élémentaires connues étaient l'électron, le proton, le

neutron et le neutrino. Mais l'amélioration des moyens de détection permis de mettre en

évidence l'existence d'un nombre invraisemblable de particules différentes.

Les progrès théoriques dans les années 1960 amenèrent les physiciens à la conclusion que

protons et neutrons étaient en fait des systèmes complexes possédant une structure interne et

constitués de particules encore plus élémentaires, qu'ils baptisèrent quarks. Ces travaux

montrèrent également qu'il devait exister six types de quarks qui furent appelés down, up,

strange, charm, bottom et top.

Dans des conditions ordinaires, les quarks n'existent pas à l'état isolé. On ne les trouve

qu'associés en petits groupes. Ils forment alors une particule non élémentaire. Ainsi, trois

quarks peuvent se regrouper pour former ce que l'on appelle un baryon. Citons les deux

baryons que l'on trouve dans la matière ordinaire : le proton, formé de deux quarks up et d'un

down, et le neutron, constitué de deux quarks down et d'un up. L'autre type de combinaison

possible est le méson, formé d'un quark et d'un antiquark. De façon générale, tous les

ensembles formés de quarks, aussi bien les baryons que les mésons, sont collectivement

désignés sous le nom de hadrons.

En plus des quarks, on trouve une deuxième catégorie de particules élémentaires : les leptons.

Les deux exemples les plus connus sont l'électron et le neutrino. Les progrès expérimentaux et

théoriques ont permis de mettre en évidence quatre autres leptons : deux versions plus

massives de l'électron appelées le muon et le tau, ainsi que deux autres types de neutrinos. Ces

quatre leptons n'apparaissent que dans des processus très énergétiques, par exemple dans nos

accélérateurs de particules. La matière ordinaire ne fait appel qu'à l'électron et au neutrino

usuels.

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