Big Bang et nucléosynthèse primordiale

PARAMETRE COSMOLOGIQUE :
Recherche.fr / Le terme de paramètre cosmologique se réfère à une quantité qui intervient dans la description d’un modèle cosmologique et dont la valeur n’est pas connue à priori. Par exemple, les densités d’énergie des différentes formes de matière qui emplissent l’univers observable sont des paramètres cosmologiques, tout comme l’âge de l’univers.
L’UNIVERS contient de façon certaine trois, et très probablement quatre types de matière : les photons, les neutrinos, la matière composant les atomes et les molécules appelée matière baryonique, ainsi qu’une forme de matière mal connue à l’heure actuelle, la matière noire. La quasi totalité de l’énergie des photons de l’univers correspond à celle des photons qui ont été produits lors du Big Bang et qui composent le fond diffus cosmologique. La température du fond diffus cosmologique est connue avec une très grande précision, la densité d’énergie des photons est donc une donnée à inclure dans les modèles. De la même façon il existe de très nombreux neutrinos issus du Big Bang d’une énergie bien inférieure à ceux produits par réactions nucléaires au sein des étoiles mais d’un nombre considérablement plus élevé. Grâce aux prédictions de la nucléosynthèse primordiale il est possible de déduire par le calcul la densité d’énergie du fond cosmologique de neutrinos. Par contre les abondances de matière baryonique et de matière noire ne peuvent être prédites par les théories physiques actuelles, aussi leur abondance est-elle un paramètre libre dans la plupart des modèles.
Nous allons remonter le temps jusqu’à l’origine de notre Univers qui a commencé il y a 13,7 milliards d’années. A cet instant si éloigné les scientifiques commencent à trouver un début de réponse : l’espace et le temps tels que nous les connaissons commencent là.
Nous partons au centre de l’œuvre dans la petite sphère bleue animée de tourbillons : nous sommes dans la sphère de Bloch découverte par le physicien mathématicien Félix Bloch. Que voyons nous ? Un Univers si incroyablement petit qu’il nous paraît impossible de l’imaginer : 10-33 cm : la longueur de Planck, longueur presque inexistante… : pourtant à cette échelle et à ce moment unique de Big Bang, les physiciens pensent que toutes les forces de l’Univers (dont les quatre fondamentales sont l’électromagnétisme, la force nucléaire faible, force nucléaire forte et la gravitation) étaient unifiées – fondues – au sein d’une force unique : la supersymétrie.
LA SUPERSYMETRIE :
Si la théorie de la supersymétrie est correcte, alors, durant cette période ces quatre forces fondamentales avaient toutes la même puissance, et elles étaient unifiées en une seule force fondamentale. On connait peu de choses de cette ère, les physiciens espèrent que les théories de gravité quantique proposées telles que la théorie des cordes, la théorie de la gravitation quantique à boucles et les conjonctions causales mèneront finalement à une meilleure compréhension de cette ère.
Dans le courant supersymétrique qui régnait à l’origine , des cordes des filaments vibratoires apparaissent, se croisent, forment des boucles ; le temps accélère, s’emballe, ralentit, fait machine arrière, se fige, saute d’un instant à l’autre…se déforme perpétuellement…Voici ce que nous pouvons entrevoir… Car la physique théorique d’aujourd’hui s’est tout simplement effondrée, incapable de réaliser la synthèse entre l’infiniment grand (décrit par la relativité) et l’infiniment petit (apanage de la mécanique quantique).
Dans le flux supersymétrique du début du temps, toute notre réalité naissante est unifiée : les particules véhiculant des forces (les bosons) sont unifiées aux particules véhiculant la matière (les fermions), toutefois des mécanismes sont à l’œuvre pour créer, progressivement, de la complexité. Je ne citerai que les « super-algèbres de Lie » permettant de décrire les grandes symétries physiques, les brisures de symétrie… « sous » la première seconde. Ce sont les brisures successives de symétrie qui vont engendrer l’apparition de quatre forces distinctes les unes des autres et plus tard la naissance des centaines de particules différentes à la base de la matière.
LA RUPTURE DE SUPERSYMETRIE :
Si la supersymétrie est une propriété de notre univers, alors elle doit être brisée à des énergies aussi basses que 1 TeV, l’échelle de symétrie électrofaible. La masse des particules ne serait alors plus égale à celle de leurs superpartenaires, ce qui pourrait expliquer pourquoi il n’a jamais été possible d’observer aucun superpartenaire d’une particule connue.
LE BIG BANG :
Face à ce mur de Planck va se produire un phénomène inouï : le Big Bang ce jaillissement primitif va disperser dans le néant à la vitesse de la lumière l’espace, le temps et la matière.
1°) La première seconde : le découplage des neutrinos : sur l’œuvre ces particules sont symbolisées en colori pourpre ou rose. Neutrinos et antineutrinos cessent d’interagir notablement avec les autres formes de matière dans l’Univers (notamment électrons, positrons, et photons) avec lesquels ils étaient jusqu’alors en équilibre thermique. A cette période au moment du Big Bang la température est descendue en dessous de 10 milliards de degrés soit une énergie typique de 1MeV par particule. Les neutrinos ayant cessé d’interagir avec le reste de l’Univers forment le fond cosmologique de neutrinos.
2°) L’Ere Leptonique : 10 secondes après le Big Bang : l’Univers mesure environ trois millions de kilomètres, c’est à cette période que l’on assiste à l’annihilation des paires d’électrons et de positrons représentés en billes bleu marine (électrons) et bleu roi (positrons) dans la partie claire en ocre et jaune entourant la sphère de Bloch.
Quand la température descend en dessous de l’énergie de masse, les électrons et positrons s’annihilent par paires en produisant deux photons. Sur l’œuvre cette réaction est symbolisée par deux petites flèches rouges partant de l’électron et du positron, au bout desquelles apparaissent deux billes jaunes symbolisant les photons. L’énergie des paires électrons-positrons se trouve alors intégralement convertie sous forme de photons : ces derniers voient alors leur énergie moyenne augmenter. Ils sont alors bien plus nombreux que les protons : on en compte un milliard pour un seul proton. Sur l’œuvre ils sont symbolisés toujours en billes jaunes poussées par les petites flèches rouges représentant leur énergie.
Après l’annihilation mutuelle de la plupart des leptons et anti-leptons, l’énergie de l’univers est dominée par les photons. Ces photons sont encore en interaction fréquente avec des protons ou des électrons chargés, et finalement avec des noyaux atomiques, et ils continuent ainsi pendant les 380 000 ans qui suivent.
3°) LE MODELE STANDARD DE LA NUCLEOSYNTHESE PRIMORDIALE :
Actuellement il y a environ un atome de deutérium (2H) pour 100000 atomes d’hydrogène. Il est le septième élément le plus abondant de l’Univers, c’est également le plus fragile des noyaux. Son origine peut être expliquée par le Big Bang : la température élevée au début de l’Univers aurait permis sa fabrication et le refroidissement rapide dû à l’expansion aurait permis sa conservation. Tant que la température reste supérieure à 10 puiss.9 K, les noyaux de deutérium sont dissociés par les photons qui ont assez d’énergie à cette température. Ces noyaux ne deviennent stables qu’à 10 puiss.9 K. On a alors un rapport np/nn d’environ 7 et la nucléosynthèse primordiale commence avec la formation des éléments légers.
On peut imaginer les trois premières minutes après le Big Bang : c’est au cours de cette phase primordiale qu’ont été produits les noyaux des atomes que l’on retrouve aujourd’hui en plus grand nombre dans l’Univers : ceux d’hydrogène ceux du deutérium et ceux de l’hélium. Les noyaux de matière hélium et hydrogène sont produits, d’autres commencent à se désagréger, à se défaire en protons et neutrons. Or les neutrons instables ont une durée de vie d’un quart d’heure, ils disposent donc d’un temps très court pour trouver un partenaire proton (qui lui a une durée de vie de milliards d’années) avec lequel ils pourront fusionner.
Une heure après le Big Bang on peut imaginer que la sphère cosmique dépasse un milliard de kilomètres, un jour après le Big Bang elle est sans doute de l’ordre de 25 milliards de kilomètres.
Sur l’œuvre la nucléosynthèse primordiale commence au delà du premier cercle bleu foncé délimité par les petits points blancs. Les protons sont représentés en boules rouges, les neutrons en boules bleues, les photons en petites billes jaunes. La fusion des éléments est symbolisée par le + en rouge ainsi que les flèches rouges. Le deutérium comprend 1 proton + 1 neutron, l’hélium 3 : 2 protons (rouges) + 1 neutron (bleu), le tritium 3H : 1 proton (rouge) + 2 neutrons (bleus). Pendant ce temps, les neutrinos en rose poursuivent leur route, imperturbables, sans interagir avec la matière.
On retrouve la formation des éléments légers suivants :

⁃un proton + un neutron…. donnent un deutérium + un photon
⁃un deutérium + un neutron……… = un tritium + un photon
⁃un deutérium + un proton……….. = un hélium 3 + un photon
⁃un deutérium + un deutérium…… = un tritium + un proton
⁃un deutérium + un deutérium…… = un hélium 3 + un neutron
⁃un deutérium + un deutérium…… = un hélium 4 + un photon
⁃un tritium + un proton……………… = un hélium 4 + un photon
⁃un hélium 3 + un neutron………… = un tritium + un proton
⁃un hélium 3 + un neutron…………. = un hélium 4 + un photon
⁃un tritium + un deutérium……….. = un hélium 4 + un neutron
⁃un hélium 3 + un deutérium……… = un hélium 4 + un proton
⁃un hélium 3 + un hélium 3………… = un hélium 4 + deux protons
Voici donc sur cette œuvre les trois premières minutes de notre univers, qui a ensuite poursuivi son expansion avec la formation des galaxies, des étoiles qui les composent ainsi que des planètes. Nous pouvons mesurer le point de départ de notre Univers il y a 13,7 milliards d’années et ce regard sur nos origines cosmologiques nous conduit à une très grande humilité : nous découvrirons certainement dans les années à venir les moments encore mystérieux qui ont précédés le Big Bang.