La 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.

1. 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 permit 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.
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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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2. Les forces

Les phénomènes physiques observables sont l'effet de forces.

On observe quatre types de forces :


  • la force de gravitation.          
  • la force électromagnétique.
  • la force nucléaire forte.
  • et la force nucléaire faible.
interactions

  • PHOTONS
Vers la fin des années quarante, les scientifiques, en s'appuyant sur la théorie de l'électrodynamique quantique, ont déterminé que la force électromagnétique était le résultat de l'échange de photons entre particules.
  • BOSONS

A partir de cette confirmation et vers 1960, les physiciens Abdus Salam , Sheldon Glashow et Steven Weinberg démontrèrent que la force nucléaire faible était en fait un échange de particules sous la forme de trois différents porteurs appelées bosons vecteurs intermédiaires : W+, W- et  Z0. Ceci fût confirmé en 1983 par la détection de ces particules dans le CERN. Le principal effet de cette force est la transformation de protons en neutrons et vice-versa, et la radioactivité béta.

  • GLUONS
En se basant sur les mêmes principes, et en utilisant la chromodynamique quantique, les scientifiques décrivirent la force nucléaire forte comme résultat d'échange de particules nommées gluons, composées de huit (8) types différents et assurant la cohésion des noyaux atomiques et de leurs constituants, les quarks. Cette force se caractérise par une portée très faible tout en étant elle-même extrèmement puissante, ce qui explique le fait que les quarks ne peuvent se trouver à l'état isolé mais toujours regroupés pour former un hadron (baryon --> proton: 2 up, 1 down /neutron: 2 down, 1 up ... ou méson ---> quark/antiquark).
  • Unification: BOSONS/PHOTONS -----> Electrofaible
Les scientifiques établissèrent la théorie de l'unification des intéractions nucléaire faible et électromagnétique en une seule intéraction appelée électrofaible, qui n'apparait que sous des conditions extrèmement poussées d'énergie et de température(1012°C) sous l'effet desquelles les trois bosons vecteurs intermédiaires se comportent exactement comme des photons, ainsi les deux interactions sont indiscernables. Dans les conditions ordinaires, les deux interactions retrouvent leurs caractéristiques respectives.
  • Grande unification
Les deux intéractions nucléaire faible et électomagnétique peuvent s'unifier en une seule intéraction électrofaible si l'énergie des particules atteint un certain seuil (1012°C). Si on augmente encore plus l'énergie des particules vers des valeurs impossibles à atteindre dans l'état normal de notre monde (10 milliards de milliards de milliards de degrés celsius 1028 °C), il est probable dans ces conditions qu'une unification puisse s'établir entre la force nucléaire forte et l'interaction électrofaible pour donner la grande unification. Ceci n'est pas confirmé malheureusement de nos jours par défaut d'expérimentation, puisque le LHC (Large Hadron Collider), plus grand accélérateur de particules, ne peut atteindre qu'une énergie équivalente à 1600 milliards de degrés.
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en plus des bosons de jauge déjà connus, le photon, les trois bosons vecteurs intermédiaires et les huit gluons, il doit exister huit autres bosons que les théoriciens ont baptisés les bosons X.

Ces huit nouveaux porteurs se distinguent par leur capacité à lier quarks et leptons. D’après la théorie, en effet, l’échange d’un de ces nouveaux bosons serait capable de transformer un quark en lepton et vice-versa, ce qui n’est possible avec aucun des autres bosons. Un exemple typique de conséquence serait la désintégration d’un proton pour donner un positron (un antiélectron donc un lepton) et un pion (un mésonformé de deux quarks de première génération), le pion se transformant immédiatement en deux photons.

3. Les particules virtuelles

En se basant sur la relativité restreinte d'Albert Einstein -en particulier l'équivalence entre masse et énergie- et la mécanique quantique, la masse peut apparaitre à partir de rien, exister pendant un certain temps puis disparaitre. Ainsi, des particules apparaissent pour vivre furtivement très brièvement puis s'évanouissent sans qu'on puisse les apercevoir directement, on les qualifie donc de virtuelles. Heureusement qu'on peut détecter leur présence par l'effet indirect qu'elles induisent sur les particules ordinaires tel l'électron qui n'est jamais isolé et baigne en permanence dans un nuage de particules et d'anti-particules virtuelles qui influencent certaines de ses caractéristiques, ce qui a été expérimentalement vérifié. Le vide absolu qui signifie l'absence de toute matière  n'existe donc pas. Même dans les premières phases du Big Bang, lorsque la matière ordinaire n’existait pas encore, l’Univers était agité d’une succession frénétique de créations et de disparitions de particules de tous les types et c’est d’ailleurs grâce à cette agitation que la matière ordinaire put faire son apparition.

 

Posté par amhammadi