Ère des particulescomment les quarks, l'antimatière et les neutrinos sont apparus

L'ère des particules va de 10⁻¹² s après le Big Bang à 3 minutes. Pendant ce temps, les quarks ont d'abord erré librement puis ont été confinés en protons et neutrons, les électrons et les positrons ont dominé l'univers, et vers 1 seconde les neutrinos ont commencé à voyager librement. Le point le plus intrigant est un registre : pour chaque milliard de paires particule-antiparticule, il y avait une particule de matière en trop. Les étoiles, les montagnes et les gens d'aujourd'hui viennent tous de ce minuscule excédent.

Plus l'état est ancien, plus il est difficile à observer directement. Les chercheurs recréent des conditions extrêmes dans des collisionneurs ou les calculent en théorie. En lisant, remarquez si chaque élément repose sur des preuves expérimentales ou sur une prédiction théorique.

Six événements

• 10⁻¹² s · Ère des quarks : les quarks errent librement dans une soupe chaude, comme des ingrédients qui nagent dans une marmite en ébullition.
• 10⁻¹¹ s · Asymétrie baryonique : une particule de matière en trop par milliard de paires particule-antiparticule. C'est pourquoi la matière a survécu.
• 10⁻⁶ s · Ère des hadrons : les quarks sont confinés en protons et neutrons, et on ne voit plus jamais un quark seul.
• 1 s · Ère des leptons : les électrons et les positrons dominent l'univers.
• 1 s · Découplage des neutrinos : les neutrinos voyagent désormais librement et n'interagissent presque jamais avec le reste de la matière.
• 10 s · Annihilation électron-positron : il reste un petit nombre d'électrons, et les photons augmentent fortement.

Les quarks : du modèle au liquide

D'abord est venue une idée qui a mis de l'ordre dans la famille des particules : les protons et les neutrons sont faits de « quarks » plus petits. Elle a rangé le zoo chaotique des particules de l'époque, dans un article intitulé « A schematic model of baryons and mesons » (Gell-Mann, Physics Letters, 1964). La question suivante était de savoir pourquoi on ne voit jamais de quark seul. La réponse s'appelle la liberté asymptotique : plus les quarks sont proches, plus leur interaction faiblit, et plus ils s'éloignent, plus ils sont fortement rappelés l'un vers l'autre, donc ils restent enfermés. L'article s'intitule « Ultraviolet behavior of non-abelian gauge theories » (Gross et Wilczek, Physical Review Letters, 1973).

L'état de quarks libres a depuis été recréé en laboratoire. Des collisions d'ions lourds ont reproduit le plasma quarks-gluons des premières microsecondes, qui se comporte comme un liquide presque sans viscosité (collaboration STAR, Nuclear Physics A, 2005).

L'antimatière : d'abord sur le papier, puis dans les rayons cosmiques

Paul Dirac a combiné mécanique quantique et relativité pour décrire l'électron, et une solution de son équation a prédit de façon inattendue l'antimatière. Son article s'intitule « The quantum theory of the electron » (Dirac, Proceedings of the Royal Society A, 1928). Quelques années plus tard, la prédiction a été confirmée : un électron de charge positive a été photographié dans les rayons cosmiques, la première fois que des humains voyaient de l'antimatière. L'article a un titre simple, « The positive electron » (Anderson, Physical Review, 1933).

Pourquoi la matière a gagné

Particules et antiparticules apparaissent par paires, alors comment la matière a-t-elle fini en excédent ? Andreï Sakharov a énuméré trois conditions nécessaires pour que l'univers produise plus de matière que d'antimatière, qui restent le point de départ des recherches. Le titre de son article nomme directement le sujet : « Violation of CP invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe » (Sakharov, JETP Letters, 1967). Un autre indice est venu de l'expérience : la désintégration du méson K a montré que les lois de la physique ne sont pas parfaitement symétriques entre matière et antimatière. L'article s'intitule « Evidence for the 2π decay of the K₂⁰ meson » (Christenson, Cronin, Fitch et Turlay, Physical Review Letters, 1964).

Les neutrinos : des particules fantômes

Les neutrinos n'interagissent presque avec rien, donc en attraper un est difficile. Des chercheurs ont attendu des années près d'un réacteur nucléaire et ont fini par attraper cette « particule fantôme », dans un article intitulé « Detection of the free neutrino: a confirmation » (Cowan, Reines et al., Science, 1956). On a découvert plus tard que les neutrinos changent entre trois types, ce qui signifie qu'ils ont une masse. L'observation venait du détecteur Super-Kamiokande, dans un article intitulé « Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos » (Fukuda et al., Physical Review Letters, 1998).

Comment le jeu le montre

Dans le jeu, la plage de temps de l'ère des particules est écrite « 10⁻¹² s à 3 min » et sa ressource est les particules. Les générateurs sont Plasma quarks-gluons, Annihilation matière-antimatière, Hadronisation et Découplage des neutrinos, qui correspondent aux processus réels ci-dessus. Les générateurs ne sont qu'un moyen de sentir l'ordre de ces étapes. De telles machines n'existent pas dans la réalité.