gluons, et le spin du quark montré. La force nucléaire agit comme un ressort, avec une force négligeable lorsqu’elle n’est pas étirée, mais des forces importantes et attractives lorsqu’elle est étirée sur de grandes distances. Brookhaven National Laboratory
L’histoire de notre histoire cosmique est celle d’un Univers en expansion et en refroidissement. Alors que nous progressions d’un état chaud, dense et uniforme à un état froid, clairsemé et agglutiné, un certain nombre d’événements capitaux se sont produits tout au long de notre histoire cosmique. Au moment du Big Bang chaud, l’Univers était rempli de toutes sortes de particules, d’antiparticules et de quanta de rayonnement à ultra-haute énergie, se déplaçant à la vitesse de la lumière ou à une vitesse proche.
En revanche, aujourd’hui, nous avons un Univers rempli d’étoiles, de galaxies, de gaz, de poussières et de nombreux autres phénomènes dont l’énergie est trop faible pour avoir existé dans l’Univers primitif. Une fois que les choses se sont suffisamment refroidies pour que le boson de Higgs donne une masse à l’Univers, on pourrait penser que des protons et des neutrons se formeraient immédiatement. Mais ils n’ont pas pu exister tout de suite. Voici comment ils sont apparus.
plasma quark-gluon libre, non lié. À des températures et des densités plus faibles, nous avons des hadrons beaucoup plus stables : des protons et des neutrons. BNL/RHIC
Dans la chaleur de l’Univers primitif, mais après que les particules fondamentales aient obtenu une masse au repos, nous avons chaque combinaison particule-antiparticule énergétiquement possible qui entre et sort de l’existence. Il y a :
- quarks et antiquarks,
- leptons et antileptons,
- neutrinos et antineutrinos,
- ainsi que les bosons de jauge,
toutes ces particules existent tant qu’il y a assez d’énergie (E) pour créer ces particules de masses données (m) via E = mc2 d’Einstein. Les particules acquièrent une masse juste 100 picosecondes (10-10 s) après le début du Big Bang chaud, mais il n’y a pas encore de protons ou de neutrons.
rayonnement, et était si chaud et dense qu’il empêchait toutes les particules composites, comme les protons et les neutrons de se former de manière stable pendant la première fraction de seconde. Collaboration RHIC, Brookhaven
Au contraire, l’Univers est si chaud et si dense que ce que nous avons est connu sous le nom de plasma quark-gluon. La raison en est contre-intuitive, si les seules forces que vous connaissez sont la gravité et l’électromagnétisme. Dans ces cas, les forces sont d’autant plus fortes que l’on rapproche deux particules. Divisez par deux la distance entre deux charges électriques et la force quadruple entre elles ; divisez par deux la distance entre deux masses et la force pourrait même plus que quadrupler, comme le dicte la relativité générale.
Mais prenez deux quarks, antiquarks, ou une combinaison quark-antiquark, par exemple, et divisez par deux la distance entre eux, et la force de la force nucléaire forte qui les lie fait quelque chose de très différent. Elle ne quadruple pas. Elle ne double même pas. Au lieu de cela, la force entre eux chute.
La force d’interaction de la force tombe à zéro. A grande distance, elle augmente rapidement. C’est l’idée de la liberté asymptotique, qui a été confirmée expérimentalement avec une grande précision. S. Bethke ; Prog.Part.Nucl.Phys.58:351-386,2007
C’est bizarre, mais c’est ainsi que les noyaux atomiques et la force nucléaire forte fonctionnent réellement. En dessous d’une certaine distance, la force entre deux particules quelconques ayant une charge de couleur (quarks et gluons) tombe en fait à zéro, n’augmentant qu’au fur et à mesure qu’elles s’éloignent. Aux températures et densités élevées présentes à ces époques très anciennes, la force nucléaire est trop faible pour lier quoi que ce soit. Par conséquent, les particules se déplacent simplement, se heurtent les unes aux autres, en créent de nouvelles et s’annihilent.
Mais à mesure que l’Univers s’étend, il se refroidit et devient moins dense. Et au fil du temps, il devient plus difficile de fabriquer les particules les plus massives.
de l’énergie pure est une réaction complètement réversible (à droite), la matière/antimatière s’annihilant pour redevenir de l’énergie pure. Ce processus de création et d’annihilation, qui obéit à E = mc^2, est la seule façon connue de créer et de détruire la matière ou l’antimatière. Aux basses énergies, la création de particules et d’antiparticules est supprimée. Dmitri Pogosyan / Université d’Alberta
En outre, à l’exception des quarks les plus légers (up et down, plus anti-up et anti-down) et du lepton chargé le plus léger (l’électron, plus le positron), toutes les autres particules sont instables à la désintégration radioactive. À mesure que les picosecondes se transforment en nanosecondes et que les nanosecondes s’accumulent en microsecondes, les particules les plus lourdes cessent d’être créées et disparaissent de notre Univers. Les quarks inférieurs/anti-inférieurs disparaissent en premier, suivis par les leptons tau et anti-tau. Puis les quarks charme/anti-charme disparaissent, suivis des quarks étranges/anti-étranges.
l’Univers déterminent quand et dans quelles conditions elles peuvent être créées. Plus une particule est massive, moins le temps pendant lequel elle peut être créée spontanément est long dans l’Univers primitif. Fig. 15-04a de universe-review.ca
A mesure que nous perdons de plus en plus de combinaisons particule/antiparticule, elles créent un plus grand nombre de paires particule/antiparticule plus légères qui peuvent encore exister, mais aussi un plus grand nombre de photons. Chaque fois que nous produisons deux photons par annihilation de particules/antiparticules, cela ralentit un peu le refroidissement de l’Univers. L’Univers se refroidit et se raréfie, mais son contenu change également. Au début, seul un pourcentage faible mais substantiel des particules présentes sont des photons, des neutrinos et des antineutrinos. Mais lorsque ces particules commencent à disparaître, ces fractions augmentent de plus en plus.
et leurs particules d’antimatière étaient extraordinairement abondantes, mais lorsque l’Univers s’est refroidi, la majorité s’est annihilée. Toute la matière conventionnelle qui nous reste aujourd’hui provient des quarks et des leptons, tandis que tout ce qui s’est annihilé a créé davantage de photons, de neutrinos et d’antineutrinos. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Et comme l’Univers se refroidit encore plus, les muons et les anti-muons commencent à se désintégrer, en même temps que les quarks up et down (plus les quarks anti-up et anti-down) commencent à se séparer à des distances substantielles (femtomètre : 10-15 m). Environ 10 à 20 microsecondes après le Big Bang, nous avons atteint une combinaison température/densité critique. Nous nous sommes maintenant refroidis à une température d’environ 2 trillions de K (2 × 1012 K), et maintenant les quarks et les antiquarks sont suffisamment éloignés pour que la force forte commence à devenir substantielle.
Tout comme un ressort non étiré n’exerce pas de force mais qu’un ressort étiré en exerce une, les quarks ne ressentent pas de force de confinement avant d’atteindre une certaine distance. Mais une fois qu’ils l’ont fait, ils deviennent liés.
son spin, mais aussi les gluons, les quarks et antiquarks de la mer, ainsi que le moment angulaire orbital. La répulsion électrostatique et la force nucléaire forte attractive, en tandem, sont ce qui donne au proton sa taille. APS/Alan Stonebraker
Graduellement, nous faisons la transition : des quarks libres up, down, anti-up et anti-down aux protons, neutrons, anti-protons et anti-neutrons liés. L’Univers est encore assez chaud pour faire de nouvelles combinaisons particule-antiparticule, et faisait beaucoup de combinaisons de quarks up/anti-up et down/anti-down quand les choses étaient assez denses.
Mais maintenant qu’elles ne sont pas assez denses, et que nous avons des protons et des neutrons (et des anti-protons et des anti-neutrons) à la place, l’Univers n’est pas assez chaud pour créer spontanément de nouvelles paires proton/anti-proton ou neutron/anti-neutron. Cela signifie que lorsque les protons et les antiprotons (ou les neutrons et les anti-neutrons) se rencontrent, ils s’annihilent et nous ne pouvons pas en créer de nouveaux.
antiparticule, elle peut s’annihiler en pure énergie. Cela signifie que si vous faites entrer en collision deux particules quelconques avec suffisamment d’énergie, vous pouvez créer une paire matière-antimatière. Mais si l’Univers est en dessous d’un certain seuil d’énergie, vous ne pouvez qu’annihiler, pas créer. Andrew Deniszczyc, 2017
Ce qui se passe, alors, lorsque l’Univers se refroidit à travers ce stade critique est le suivant :
- les quarks libres restants commencent à subir un confinement, devenant des protons, des neutrons, des anti-protons, des anti-neutrons et des pions (particules instables connues sous le nom de mésons),
- les mésons se désintègrent, tandis que les anti-protons et les anti-neutrons s’annihilent avec les protons et les neutrons,
- et cela nous laisse avec des protons et des neutrons seuls, seulement parce qu’à un stade antérieur, l’Univers a créé plus de matière que d’antimatière.
les particules et les antiparticules se désintègrent, tandis que les paires matière-antimatière s’annihilent et que les photons ne peuvent plus entrer en collision à des énergies suffisamment élevées pour créer de nouvelles particules. Mais il y aura toujours des particules restantes qui ne pourront plus trouver leurs homologues antiparticules. Soit elles sont stables, soit elles vont se désintégrer, mais les deux ont des conséquences sur notre Univers. E. Siegel
Enfin, l’Univers commence à ressembler à quelque chose que nous reconnaîtrions aujourd’hui. Bien sûr, il est chaud et dense. Bien sûr, il n’y a pas d’atomes ni même de noyaux atomiques. Bien sûr, il est encore rempli d’un tas de positrons (la contrepartie antimatière des électrons) et d’électrons, et continue à les créer et à les annihiler spontanément. Mais la plupart de ce qui existe aujourd’hui, peut-être 25 microsecondes après le début du chaud Big Bang, existe encore sous une forme ou une autre aujourd’hui. Les protons et les neutrons deviendront les blocs de construction des atomes ; les neutrinos et antineutrinos et les photons feront partie du fond cosmique ; les électrons restants qui existeront lorsque les paires électron/positron s’annihileront se combineront avec les noyaux atomiques pour rendre possibles les atomes, les molécules et les réactions biochimiques complexes.
(jaune), les orbitales d (bleu) et les orbitales f (vert) ne peuvent contenir que deux électrons chacune : un spin up et un spin down dans chacune. Le nombre d’orbitales remplies est déterminé par le nombre de protons dans le noyau d’un atome. Sans les protons créés au début de l’Univers, rien de ce que nous avons dans notre Univers aujourd’hui ne serait possible. Libretexts Library / NSF / UC Davis
Mais à ce stade, la plus grande nouveauté qui se produit est que les particules ne sont plus individuelles et libres à toutes les échelles. Au lieu de cela, pour la première fois, l’Univers a créé un état stable et lié de plusieurs particules. Un proton est constitué de deux quarks up et d’un quark down, liés par des gluons, tandis qu’un neutron est constitué d’un quarks up et de deux quarks down, liés par des gluons. Ce n’est que parce que nous avons créé plus de matière que d’antimatière que nous avons un Univers où il reste des protons et des neutrons ; ce n’est que parce que le Higgs a donné une masse au repos aux particules fondamentales que nous obtenons ces noyaux atomiques liés.
l’existence de la « charge de couleur » et l’échange de gluons, est responsable de la force qui maintient les noyaux atomiques ensemble. Wikimedia Commons user Qashqaiilove
En raison de la nature de la force forte, et de l’énorme énergie de liaison qui se produit dans ces interactions de type ressort étiré entre les quarks, les masses du proton et du neutron sont environ 100 fois plus lourdes que les quarks qui les composent. Le boson de Higgs a donné de la masse à l’Univers, mais c’est le confinement qui nous donne 99 % de notre masse. Sans les protons et les neutrons, notre Univers ne serait jamais le même.
Lectures complémentaires sur ce qu’était l’Univers à l’époque :
- À quoi ressemblait-il lorsque l’Univers se gonflait ?
- À quoi ressemblait-il lorsque le Big Bang a commencé ?
- À quoi ressemblait-il lorsque l’Univers était à son point le plus chaud ?
- À quoi ressemblait-il lorsque l’Univers a créé pour la première fois plus de matière que d’antimatière ?
- Que s’est-il passé lorsque le Higgs a donné de la masse à l’Univers ?
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