La soupe

10⁻¹² s à 1 s

Un bain à l'équilibre

À la fin de l'inflation, l'énergie qui entraînait l'expansion accélérée s'est convertie en particules et en chaleur (→ chap. 3). Ce que l'on sait de cette conversion est à peu près nul. Ce que l'on sait de son résultat, en revanche, est considérable, parce que la matière qui en sort obéit à une physique qu'on a mesurée sur Terre. Vers 10⁻¹² seconde, l'Univers est un bain de particules à une température de l'ordre de 10¹⁵ K, et toutes les particules du modèle standard, le cadre théorique qui décrit les particules connues et trois des quatre forces, y sont en équilibre thermique wiki-chrono.

Être en équilibre thermique, pour un gaz de particules, veut dire que chaque réaction se produit aussi souvent dans un sens que dans l'autre. Deux photons assez énergiques qui se rencontrent créent une paire électron-positron ; une paire électron-positron qui se rencontre s'annihile en photons ; à l'équilibre, les deux flux se compensent. Le nombre de chaque espèce de particule n'est alors fixé que par la température¹. C'est ce qui rend le bain calculable : à une température donnée, on sait combien il contient d'électrons, de quarks, de photons, sans avoir besoin de connaître son histoire. C'est aussi ce qui le rend muet, car un système qui oublie son passé ne transmet presque rien de ce passé à la suite.

À cette température, les physiciens comptent en énergie plutôt qu'en degrés. L'unité est l'électronvolt (eV), l'énergie que gagne un électron en traversant une différence de potentiel d'un volt ; le mégaélectronvolt (MeV) en vaut un million, le gigaélectronvolt (GeV) un milliard². Une température de 1 MeV correspond à environ 10¹⁰ K fields2014pdg, 1 GeV à environ 10¹³ K Canetti 2012. Les 10¹⁵ K de départ font donc une centaine de GeV³. Ce thermomètre est la vraie horloge du chapitre : les temps qu'on y lit sont déduits de la température par le modèle d'expansion, et les températures sont ce que la physique des particules connaît.

Deux transitions se succèdent dans ce bain. La première est la brisure de la symétrie électrofaible, vers 10⁻¹² s : l'interaction électromagnétique et l'interaction faible, qui ne formaient qu'une seule interaction au-dessus de cette température, se séparent, et les particules acquièrent leur masse wiki-chrono. La nature de cette transition, douce ou brutale, dépend de la masse du boson de Higgs Canetti 2012 ; ce point reviendra à la section suivante, parce qu'il décide si l'excès de matière a pu naître à ce moment. La seconde transition a lieu vers 10⁻⁵ s. Jusque-là, les quarks, les constituants des protons et des neutrons, circulent librement dans le bain ; ensuite, ils se lient par trois pour former des hadrons, dont les protons et les neutrons wiki-chrono. C'est la réponse à la première moitié de la question du chapitre : les protons et les neutrons naissent à cet instant, quand le bain devient trop froid pour que les quarks restent séparés⁴.

Ces deux transitions marquent aussi le bord où le temps lui-même devient fragile. Le philosophe de la physique Svend Rugh et son collègue Henrik Zinkernagel soutiennent que le temps cosmique doit reposer sur des processus physiques possibles entre les constituants de l'Univers. Au-delà de la transition entre quarks libres et hadrons, vers 10⁻⁵ s, il n'existe plus de systèmes liés qui puissent servir d'horloge ; au-delà de la transition électrofaible, qu'ils situent vers 10⁻¹¹ s, la masse disparaît presque, et il devient difficile de donner une base physique à une échelle de longueur, d'énergie ou de température, « toutes intimement liées au concept de temps » Rugh 2009. Leur thèse est discutée ; elle ne change aucun calcul. Mais elle fait du début de ce chapitre un seuil précis : c'est là, à un ordre de grandeur près⁵, que la coordonnée de temps du modèle redevient un temps que des horloges physiques pourraient marquer.

Le statut de ce récit doit être fixé tout de suite. La physique de ces deux transitions est testée dans les accélérateurs, et son application à l'Univers primordial est une extrapolation raisonnable, non une observation wiki-chrono. La revue du Particle Data Group (PDG), la référence des physiciens des particules, est plus précise encore. On pourrait être tenté, écrivent ses auteurs, de repousser la frontière du connu jusqu'à la transition quarks-hadrons ou jusqu'à la brisure électrofaible ; mais « aucune relique observable de ces époques n'a été identifiée, ni théoriquement ni observationnellement » fields2014pdg. Rien, dans le ciel actuel, ne porte la marque directe de ces deux événements. On sait qu'ils ont eu lieu parce que la physique qui les décrit est éprouvée et parce que l'Univers a été assez chaud pour les traverser ; on ne les a pas vus.

Il en découle une règle pour les dates. Pour les premières fractions de seconde, les durées sont des ordres de grandeur qui dépendent du modèle ; elles ne deviennent robustes qu'au-delà de la seconde wiki-chrono. Les « 10⁻¹² s » et « 10⁻⁵ s » de ce chapitre sont donc des repères, lus dans une chronologie encyclopédique qui n'a pas été recoupée sur une revue spécialisée⁶. La seconde, elle, est solide, et c'est vers elle que le chapitre se dirige.

Une particule en trop

Le bain contient des particules et leurs antiparticules. À chaque particule correspond une antiparticule de même masse et de charge opposée : l'électron a le positron, le proton l'antiproton, le neutron l'antineutron. Une particule qui rencontre son antiparticule s'annihile avec elle en lumière ; inversement, de la lumière assez énergique peut créer une paire. Tant que le bain est assez chaud, les paires naissent et meurent à la même cadence. Au-dessus de 1 GeV, soit environ 10¹³ K, les baryons (la famille des protons et des neutrons) et les antibaryons sont à peu près aussi nombreux que les photons Canetti 2012.

Puis le bain refroidit. Les photons n'ont bientôt plus assez d'énergie pour créer des paires de baryons, qui pèsent environ un GeV chacun, tandis que les baryons et antibaryons existants continuent de se rencontrer et de s'annihiler. Si l'Univers avait contenu exactement autant de matière que d'antimatière, l'annihilation aurait suivi l'équilibre jusqu'à environ 20 MeV, soit quelque 2 × 10¹¹ K ; à cette température, les rencontres deviennent trop rares et l'annihilation « gèle ». Il ne resterait qu'environ 10⁻¹⁹ baryon par unité d'entropie, alors qu'on en observe 10⁻¹⁰ Aoki 1997. L'entropie sert ici d'unité de compte parce qu'elle est dominée par les photons et se conserve dans l'expansion ; l'écart est de neuf ordres de grandeur. Un tel univers serait un bain de lumière presque sans atomes : ni étoiles, ni chimie, ni lecteur.

L'Univers réel ne ressemble pas à ce calcul. Le Système solaire ne contient aucune quantité notable d'antimatière, et les rayons gamma qu'émettrait l'annihilation à la frontière de régions de matière et d'antimatière ne s'observent pas Canetti 2012. Andrew Cohen, Alvaro De Rújula et Sheldon Glashow ont montré en 1998 qu'un univers fait de domaines de matière et d'antimatière produirait un fond gamma supérieur aux limites observées, « à moins que le domaine de matière que nous habitons ne soit pratiquement tout l'Univers visible » ; ils concluent qu'un univers symétrique est « empiriquement exclu » Cohen 1998. Il a donc existé, dans le bain chaud, un léger excès de baryons sur les antibaryons. L'annihilation a détruit toutes les paires, et l'excès est resté.

La taille de cet excès est mesurée. On l'exprime par le rapport du nombre de baryons au nombre de photons, noté η. Le satellite Planck, qui a cartographié le fond diffus cosmologique, donne η = (6,104 ± 0,058) × 10⁻¹⁰ Fields 2020. Le deutérium des nuages de gaz lointains, mesuré par une tout autre méthode, donne la même valeur Fields 2020 ; le chapitre suivant dira comment (→ chap. 5). Aujourd'hui, il y a donc environ 1,6 milliard de photons pour chaque baryon⁷. Ces photons sont en grande partie les produits de l'annihilation d'autrefois Canetti 2012. La lumière fossile que capte Planck est pour l'essentiel la cendre de cette destruction, et nous sommes faits de ce qui n'a pas brûlé.

Ramené à l'époque où baryons et antibaryons étaient aussi nombreux que les photons, cet excès est infime : selon Luca Canetti, Marco Drewes et Mikhail Shaposhnikov, « l'énorme asymétrie d'aujourd'hui était en fait un nombre minuscule dans le passé » Canetti 2012. Les sources ne donnent pas tout à fait la même valeur. Hiroshi Aoki, qui rapporte l'excès à l'ensemble des particules du bain, l'estime à environ 10⁻⁸ Aoki 1997 ; Canetti et ses collègues l'écrivent de l'ordre de η, soit 10⁻¹⁰ Canetti 2012. La différence tient à ce qu'on met au dénominateur, pas au fait lui-même : il y avait une particule en trop pour quelques centaines de millions à quelques milliards de paires.

Deux explications paresseuses sont exclues. La première invoque le hasard : dans un grand nombre de particules, les deux camps ne sont jamais exactement à égalité. Mais dans le volume qui deviendra notre galaxie, 10⁷⁹ baryons et antibaryons donneraient par hasard un écart relatif d'environ 10⁻³⁹·⁵, beaucoup trop faible Aoki 1997. La seconde invoque une séparation : matière et antimatière auraient été rangées dans des régions distinctes avant de pouvoir s'annihiler. Il aurait fallu les séparer avant 38 MeV, quand la région où des signaux avaient eu le temps de circuler ne contenait qu'environ 10⁻⁷ masse solaire ; rien ne peut alors isoler des masses de galaxies Aoki 1997. Une troisième échappatoire, dire que l'Univers est né avec cet excès, se heurte à l'inflation : si elle a eu lieu, toute asymétrie préexistante a été diluée jusqu'à devenir négligeable, et l'excès doit avoir été fabriqué après, pendant le réchauffement ou pendant l'ère du rayonnement Canetti 2012. Il faut donc un processus physique qui ait produit l'excès. On l'appelle la baryogenèse.

Le cahier des charges de ce processus a été écrit en 1967 par le physicien soviétique Andreï Sakharov. Il tient en trois conditions nécessaires Sakharov 1967Canetti 2012⁸. La première est la violation du nombre baryonique : il faut des réactions qui changent le nombre de baryons moins celui des antibaryons, sans quoi un univers parti d'un solde nul le garde nul. La deuxième est la violation de deux symétries, notées C et CP : C échange particules et antiparticules, CP y ajoute l'inversion de l'espace comme dans un miroir. Si ces symétries tenaient, chaque réaction favorisant la matière aurait une réaction jumelle, de même probabilité, favorisant l'antimatière, et les deux s'annuleraient. La troisième est un écart à l'équilibre thermique : à l'équilibre, chaque réaction est compensée par sa réaction inverse, et le solde ne bouge pas Canetti 2012. Ces conditions ne disent pas comment l'excès s'est formé ; elles disent ce qu'il faut réunir pour qu'il se forme.

Le modèle standard les remplit toutes les trois, en principe. Le nombre baryonique y est violé par des transitions appelées « sphalérons », possibles à haute température ; supprimées d'un facteur d'environ 10⁻¹⁶⁰ aux basses températures, ce qui explique que le proton ne se désintègre pas aujourd'hui, elles sont efficaces au-dessus d'une température comprise entre 100 et 300 GeV Canetti 2012. La violation CP existe dans l'interaction faible. L'expansion fournit l'écart à l'équilibre Canetti 2012. Mais deux ingrédients sont présents en quantité insuffisante. La violation CP du modèle standard, mesurée par une grandeur sans dimension qui vaut environ 10⁻²⁰, est très inférieure aux 10⁻¹⁰ à expliquer Canetti 2012 ; le CERN la dit « trop petite de nombreux ordres de grandeur » cern2025lhcb. Et l'écart à l'équilibre aurait exigé une transition électrofaible brutale, dite du premier ordre, où la nouvelle phase apparaît en bulles comme la vapeur dans l'eau qui bout. Une telle transition n'est possible que si le boson de Higgs pèse moins de 72 GeV ; il en pèse environ 126 selon la revue de 2012 Canetti 2012⁹. La transition est donc douce, et les sphalérons effacent au fur et à mesure l'asymétrie qui tenterait de se former. Canetti et ses collègues concluent qu'il est « extrêmement improbable » que l'asymétrie observée ait été produite dans le cadre du modèle standard Canetti 2012.

Une mesure récente illustre ce que « trop faible » veut dire. En 2025, l'expérience LHCb, au CERN, observe pour la première fois une violation CP dans les désintégrations de baryons, la sorte de matière dont est fait l'Univers visible : les baryons appelés Λb et leurs antiparticules ne se désintègrent pas au même rythme, l'écart valant 2,45 % ± 0,47 % Lhcb 2025cern2025lhcb. C'est une pièce du puzzle ; elle ne le résout pas, parce que l'effet reste dans le cadre du modèle standard, dont la violation CP totale demeure insuffisante cern2025lhcb.

Il faut donc une physique au-delà du modèle standard, et les propositions sont nombreuses Canetti 2012. Trois familles dominent : la grande unification, où des bosons très lourds se désintègrent hors équilibre ; une transition électrofaible rendue brutale par des particules nouvelles ; la leptogenèse, proposée en 1986 par Masataka Fukugita et Tsutomu Yanagida, où un excès de leptons (la famille de l'électron et des neutrinos), né de la désintégration de neutrinos très lourds, est converti en excès de baryons par les sphalérons Fukugita 1986Davidson 2008. Chacune place la baryogenèse à une époque différente, de la fin de l'inflation à la transition électrofaible Canetti 2012. Le mécanisme est inconnu, son époque aussi, et on ne peut pas lui donner de date. Sa place dans ce chapitre est logique plutôt que chronologique : l'excès devait exister avant que l'annihilation des baryons ne gèle vers 20 MeV, et il est tout ce qui reste de cette annihilation.

Une seconde : deux gels

Le mot « gel » est déjà apparu pour l'annihilation. Il désigne un mécanisme général, qui va servir deux fois vers une seconde. Une réaction entre particules a un taux : le nombre de fois qu'elle se produit, par particule, en une unité de temps. L'expansion a elle aussi un taux, qui dit à quelle vitesse les distances grandissent. Tant que le taux d'une réaction dépasse largement celui de l'expansion, la réaction a le temps de se produire de nombreuses fois pendant que l'Univers change peu, et elle maintient l'équilibre. Quand l'Univers refroidit, les particules se raréfient et perdent de l'énergie, et le taux de la réaction chute ; celui de l'expansion diminue aussi, mais moins vite. Vient un moment où la réaction n'a plus le temps de se produire avant que l'Univers ait changé : elle cesse de fait, et ce qu'elle réglait reste figé à sa dernière valeur¹⁰.

Les interactions faibles, celles qui gouvernent la radioactivité bêta et qui sont les seules que ressentent les neutrinos, ralentissent ainsi plus vite que l'expansion quand la température approche de 1 MeV, soit environ 10¹⁰ K, vers une seconde d'âge fields2014pdg. Deux choses gèlent alors, presque en même temps.

La première concerne les neutrinos. Ces particules sans charge électrique, presque sans masse, n'interagissent que par l'interaction faible (et la gravitation). Tant que le bain est assez chaud et assez dense, elles échangent de l'énergie avec les électrons et les autres particules et partagent la température commune. Quand les interactions faibles deviennent trop rares, les neutrinos cessent d'interagir avec le reste de la matière et voyagent librement depuis wiki-chrono. La chronologie usuelle place ce découplage vers une seconde wiki-chrono ; le PDG le situe à une température d'environ 3 MeV fields2014pdg, donc un peu plus tôt, dans un bain trois fois plus chaud. Ces neutrinos libérés existent encore : ils forment un fond de neutrinos fossiles qui baigne tout l'Univers, comme le fond diffus de photons, mais qui a été libéré quelque 380 000 ans plus tôt. Ce fond est prédit ; on ne l'a pas capté directement, et on le détecte indirectement, par ses effets sur la nucléosynthèse et sur le fond diffus Fields 2020. La dernière section de ce chapitre dit lesquels.

La seconde chose qui gèle est le rapport entre neutrons et protons. Le neutron pèse un peu plus lourd que le proton : l'écart de masse, exprimé en énergie, vaut Q = 1,293 MeV fields2014pdg. Tant que l'Univers est plus chaud qu'environ 1 MeV, les interactions faibles transforment sans cesse des neutrons en protons et des protons en neutrons fields2014pdg. Dans ces échanges, fabriquer un neutron coûte l'énergie Q de plus que fabriquer un proton. À l'équilibre, un état plus coûteux est moins peuplé, dans une proportion qui dépend du rapport entre ce coût et l'énergie typique disponible, la température. Le rapport suit la loi n/p = e^(−Q/T), où e^ désigne la fonction exponentielle fields2014pdg¹¹. Quand la température dépasse de beaucoup Q, le surcoût est négligeable et il y a presque autant de neutrons que de protons. Quand la température descend vers Q, l'exponentielle chute, et les neutrons se raréfient.

Si l'équilibre avait duré indéfiniment, le rapport aurait continué de tomber avec la température, et il ne serait resté presque aucun neutron. Il ne dure pas. Les conversions gèlent vers 1 MeV, et le rapport se fige autour de n/p ≈ 1/6 : un neutron pour six protons fields2014pdg. D'autres sources situent ce gel plutôt vers 2 MeV, avec le même rapport d'environ 1/6 wiki-bbn. Les deux valeurs ne se contredisent pas : le gel est progressif, les conversions s'essoufflent sur une plage de températures, et chaque auteur choisit une définition différente de l'instant où elles s'arrêtent fields2014pdgwiki-bbn. Un calcul simple montre que « vers 1 MeV » est un ordre de grandeur. La formule d'équilibre donne un rapport de 1/6 pour une température d'environ 0,7 MeV ; à 1 MeV, elle donnerait environ 1/3,6, et à 2 MeV environ 1/2¹². Le « un pour six » est ce que laisse un équilibre qui se défait peu à peu ; aucune température unique ne le décrit exactement.

Voici donc la première partie de la réponse à la question du chapitre. Il y a moins de neutrons que de protons parce que le neutron est plus lourd, et que le bain, en refroidissant, favorise la particule la moins coûteuse. Il en reste pourtant un sur six, et non un sur mille, parce que les interactions faibles ont décroché avant que la température descende beaucoup sous Q. Le rapport résulte d'une rencontre entre deux échelles d'énergie indépendantes : l'écart de masse Q, et la température à laquelle l'interaction faible perd sa course contre l'expansion. Qu'elles tombent dans le même ordre de grandeur, autour du MeV, est ce qui laisse à l'Univers une fraction notable de neutrons.

Ce rapport fait intervenir les quatre interactions fondamentales à la fois. L'écart de masse Q dépend de l'interaction forte, qui lie les quarks dans le neutron et le proton, et de l'interaction électromagnétique. La température du gel dépend de l'interaction faible, qui fixe le taux des conversions, et de la gravitation, qui fixe le taux d'expansion fields2014pdg. Changer l'une des quatre changerait le nombre de neutrons disponibles, et donc, on le verra, la quantité d'hélium de l'Univers. Ce croisement fait de la nucléosynthèse un banc d'essai pour la physique fondamentale telle qu'elle était à une seconde.

Le compte à rebours des neutrons

Le gel fige les échanges, pas les neutrons eux-mêmes. Un neutron libre est instable : il se désintègre en proton, avec une durée de vie d'environ quinze minutes wiki-bbn. Le proton, lui, ne se désintègre pas, ou si lentement qu'on ne l'a jamais vu faire Canetti 2012. Tant que les interactions faibles maintenaient l'équilibre, les désintégrations étaient compensées par les conversions inverses. Après le gel, la compensation cesse. Il ne reste qu'un flux à sens unique, des neutrons vers les protons.

Dès la première seconde, un compte à rebours commence donc. Chaque minute, une fraction des neutrons restants disparaît. Ils ne seront à l'abri qu'une fois enfermés dans un noyau, où le neutron est stable ; or les noyaux ne se forment pas encore. Quand les réactions nucléaires commencent enfin, le rapport est tombé à n/p ≃ 1/7 fields2014pdg. C'est l'origine du « un neutron pour sept protons » avec lequel commence la fabrication des premiers noyaux.

Un calcul d'ordre de grandeur montre la cohérence de ces chiffres. Passer de 1/6 à 1/7 revient à faire passer la part des neutrons parmi tous les nucléons (neutrons et protons) de un sur sept à un sur huit, soit à perdre environ un neutron sur huit. Avec une durée de vie d'environ quinze minutes, cette perte prend environ deux minutes¹³. C'est l'ordre de grandeur de l'attente avant que les noyaux se forment, puisque les abondances des premiers éléments sont fixées pour l'essentiel vers 180 secondes fields2014pdg.

Le « un pour sept » est donc le résultat d'une course. D'un côté, la désintégration grignote les neutrons à un rythme fixé par leur durée de vie. De l'autre, le refroidissement rapproche le moment où ils pourront se réfugier dans des noyaux. Si l'Univers avait refroidi plus lentement, les neutrons auraient eu plus de temps pour disparaître, et il en serait resté moins ; s'il avait refroidi plus vite, davantage. Le rapport final enregistre la vitesse du refroidissement, mesurée avec l'horloge de la désintégration du neutron. C'est pourquoi, parmi toutes les grandeurs mesurées en laboratoire, celle qui pèse le plus sur la quantité d'hélium produite est la durée de vie du neutron fields2014pdg.

Une confusion fréquente doit être écartée. On lit parfois que le rapport entre neutrons et protons se fixe « à trois minutes ». Il se fixe vers une seconde, au gel ; pendant les trois minutes qui suivent, il ne fait que décroître par désintégration. Ce qui attend trois minutes, c'est la fusion fields2014pdg.

La seconde partie de la réponse à la question du chapitre tient donc dans ce délai. Il y a si peu de neutrons, un pour sept protons, parce que deux mécanismes se sont ajoutés. Le premier est thermique : le neutron plus lourd a été défavorisé tant que durait l'équilibre, jusqu'à un pour six au gel. Le second est une érosion : pendant l'attente des noyaux, les neutrons libres se sont désintégrés. Ces sept protons pour un neutron vont décider de la composition de toute la matière ordinaire de l'Univers. Si presque tous les neutrons finissent dans l'hélium, comme on le verra, le rapport 1/7 fixe à environ un quart la part de l'hélium dans la masse fields2014pdg(→ chap. 5).

Ce qui passe la frontière

La soupe n'a laissé aucune relique directe fields2014pdg. Mais elle a transmis à la suite de l'histoire trois grandeurs, fixées pendant la première seconde et relues bien plus tard : l'excès de matière η, le rapport entre neutrons et protons, et le nombre d'espèces de neutrinos. Ce sont elles qui permettent de vérifier, après coup, le récit des sections précédentes.

La première est l'excès de matière. Dans le modèle standard, la nucléosynthèse, la fabrication des premiers noyaux entre la troisième et la vingtième minute, ne dépend que d'un seul paramètre : le rapport baryons/photons η Fields 2020. Plus il y a de baryons par photon, plus les noyaux se rencontrent souvent, et moins il reste de deutérium, un noyau fragile d'un proton et d'un neutron. Le deutérium mesuré dans des nuages lointains donne donc η. Le fond diffus, lumière libérée 380 000 ans plus tard, le donne aussi, par la manière dont les baryons pèsent sur les ondes sonores du plasma primordial Fields 2020(→ chap. 6). Les deux mesures s'accordent : le deutérium prédit avec la valeur de Planck vaut 2,559 × 10⁻⁵ de l'hydrogène, et la moyenne de onze mesures donne (2,55 ± 0,03) × 10⁻⁵ Fields 2020. L'excès né, par un mécanisme inconnu, quelque part dans la soupe, est ainsi mesuré deux fois, à deux époques que tout sépare, et trouvé identique. Avec cette valeur fixée par Planck, la nucléosynthèse est devenue « essentiellement une théorie sans paramètre » Fields 2020.

La deuxième est le rapport entre neutrons et protons, qui fixe l'hélium. Une fois presque tous les neutrons réfugiés dans l'hélium 4, la fraction de la masse sous forme d'hélium, notée Yp, se déduit par simple comptage : environ 0,25 fields2014pdg. Les mesures dans le gaz des galaxies les plus pauvres en éléments lourds donnent 0,2449 ± 0,0040 selon Brian Fields et ses collègues Fields 2020. Le rapport qui a gelé vers une seconde se lit donc aujourd'hui, à quelques millièmes près, dans la lumière de nuages de gaz ionisé. Le chapitre suivant raconte la fabrication de cet hélium (→ chap. 5) ; il suffit ici de voir qu'il enregistre la physique du gel.

La troisième grandeur est la plus inattendue : l'hélium compte les neutrinos. Chaque espèce de particule légère présente dans le bain ajoute sa part à la densité d'énergie de l'Univers ; or, dans un univers dominé par le rayonnement, plus la densité d'énergie est grande, plus l'expansion est rapide. Chaque espèce supplémentaire de particule relativiste accélère donc l'expansion, ce qui avance le gel des conversions entre neutrons et protons ; le gel survenant à plus haute température, il reste plus de neutrons, et donc plus d'hélium, environ 0,013 de plus sur Yp par espèce fields2014pdg. C'est trois fois l'incertitude actuelle sur l'hélium mesuré¹⁴. La combinaison de la nucléosynthèse et du fond diffus donne pour le nombre d'espèces de neutrinos Nν = 2,86 ± 0,15 Fields 2020, compatible avec les trois familles connues (électronique, muonique, tauique). Une quatrième famille de neutrinos légers serait à près de huit fois l'incertitude de cette mesure¹⁵. La valeur attendue dans le modèle standard n'est d'ailleurs pas exactement 3 mais 3,04, parce que les neutrinos se découplent juste avant que les dernières annihilations d'électrons et de positrons ne chauffent le bain, et qu'ils en recueillent une petite part fields2014pdg¹⁶.

C'est ainsi que le fond de neutrinos fossiles est détecté : non par un détecteur qui capterait ces neutrinos, trop peu énergiques pour cela, mais par le poids qu'ils ont ajouté à l'expansion pendant la première seconde, et que l'hélium et le fond diffus ont enregistré Fields 2020. Le futur observatoire du fond diffus CMB-S4 vise une précision de 0,03 sur ce nombre, assez pour voir la correction de 0,045 attendue dans le modèle standard Fields 2020. Ce serait une mesure de la manière exacte dont les neutrinos ont quitté la soupe.

Ces trois transmissions situent la frontière du connu. La revue du PDG la place à un endroit précis : faute de « modèles standard » pour la baryogenèse et pour l'inflation, « la nucléosynthèse marque toujours la frontière entre l'établi et le spéculatif dans la cosmologie du Big Bang » fields2014pdg. Les mêmes auteurs précisent ce qu'on gagne de ce côté-ci de la frontière : avec une microphysique bien établie, on extrapole jusqu'à une seconde environ, et l'on prédit des abondances qui s'étendent sur neuf ordres de grandeur, en accord approximatif avec l'observation fields2014pdg. La frontière traverse donc ce chapitre lui-même. Le gel des neutrons et le découplage des neutrinos sont du côté établi : leurs conséquences sont mesurées. La baryogenèse est du côté spéculatif : sa conséquence, η, est mesurée à 1 % près, mais sa cause ne l'est pas. Les deux transitions du début du chapitre sont entre les deux : leur physique est testée, leur trace cosmique introuvable.

Reste une question que la soupe laisse ouverte. Vers une seconde, l'Univers contient des protons et des neutrons, dans le rapport de six pour un, et les neutrons commencent à disparaître. Pour qu'ils survivent, il faudrait qu'ils se lient à des protons en noyaux. Le plus simple d'entre eux, le deutérium, ne demande qu'un proton et un neutron. Pourquoi les noyaux attendent-ils trois minutes, pendant que les neutrons se désintègrent ? La réponse passe par les 1,6 milliard de photons par baryon que l'annihilation a laissés derrière elle fields2014pdg(→ chap. 5).

Ce qu'on ne sait pas

On ne sait pas comment l'excès de matière a été fabriqué, ni quand. C'est l'inconnue la plus lourde du chapitre, et elle est de nature théorique autant qu'observationnelle. Ce qui oppose les hypothèses, c'est l'échelle d'énergie à laquelle elles placent la baryogenèse, et donc l'endroit où l'on peut les tester. Une baryogenèse électrofaible exigerait des particules nouvelles et de nouvelles sources de violation CP à des énergies proches de celles du LHC ; elle est testable, mais les particules requises n'ont pas été vues, et un point de ce constat reste à documenter pour ce livre Aoki 1997. Une nouvelle violation CP donnerait à l'électron un moment dipolaire électrique, une légère dissymétrie de sa charge ; l'expérience JILA n'en a pas trouvé en 2023, avec une précision 2,4 fois meilleure que les précédentes nist2023edm, ce qui resserre l'étau sur ces scénarios. La leptogenèse relie l'excès à la masse des neutrinos ; une violation CP chez les neutrinos en serait un indice, et l'analyse conjointe des expériences T2K et NOvA en fournit un en 2025, à trois écarts-types, mais seulement si l'ordre des masses des neutrinos est dit « inversé » t2knova2025. Même confirmée, une telle mesure ne prouverait pas la leptogenèse, qui dépend des neutrinos lourds et non des neutrinos connus¹⁷. Beaucoup de modèles de baryogenèse sont difficiles à réfuter, parce qu'ils peuvent repousser leur échelle d'énergie hors de portée ; selon la revue de 2012, trois seulement sont testables au sens strict Canetti 2012. Ce qu'on attend, ce sont les mesures de violation CP chez les neutrinos, et des contraintes toujours plus fines sur les particules nouvelles.

On ne sait pas grand-chose, par l'observation, des deux transitions du début du chapitre. Le PDG le dit sans nuance : aucune relique observable n'a été identifiée fields2014pdg. Ce qui changerait ce constat serait une trace cosmique prédite par la théorie de ces transitions et retrouvée dans le ciel ; les fiches de ce livre n'en décrivent aucune en préparation. La physique du plasma de quarks et de gluons recréé dans les collisionneurs, qui donne sa base expérimentale au récit de la section d'ouverture, n'est pas documentée ici ; c'est la principale lacune de ce chapitre.

On ne sait pas exactement ce que valent les dates. Les époques de 10⁻¹² s et de 10⁻⁵ s viennent d'une chronologie encyclopédique non recoupée wiki-chrono, et Rugh et Zinkernagel situent la transition électrofaible vers 10⁻¹¹ s Rugh 2009. L'écart est dans la marge d'un ordre de grandeur que le chapitre annonce ; il ne change rien au récit, mais il faudra harmoniser. La température du gel, 1 ou 2 MeV selon les sources, n'est pas une inconnue physique : c'est une question de définition, qui tient au caractère progressif du gel fields2014pdgwiki-bbn.

On ne sait pas avec toute la précision voulue la durée de vie du neutron, le paramètre de laboratoire qui pèse le plus sur l'hélium fields2014pdg. Un écart entre les mesures faites sur des neutrons piégés et celles faites sur des faisceaux de neutrons est connu des physiciens, mais n'est pas documenté dans les sources de ce livre ; son effet sur le compte à rebours de la quatrième section reste donc à chiffrer.

On ne sait pas enfin si le bain contenait autant de neutrinos que d'antineutrinos. Le programme japonais EMPRESS, qui mesure l'hélium dans des galaxies extrêmement pauvres en éléments lourds, trouve Yp = 0,2402 ± 0,0040, plus bas que les estimations antérieures, et ses auteurs y voient l'indice possible d'une « asymétrie leptonique » non nulle, un léger excès de neutrinos sur les antineutrinos Yanagisawa 2025. Si c'était le cas, la soupe aurait porté une seconde asymétrie, à côté de celle des baryons, et elle aurait déplacé le gel des neutrons. C'est une piste, fondée sur une mesure encore en discussion ; ce qui la départagerait est une convergence des mesures de l'hélium primordial, aujourd'hui dispersées entre 0,240 et 0,245 Fields 2020Yanagisawa 2025.

Ce que ce chapitre démontre

Entre 10⁻¹² seconde et une seconde, l'Univers passe d'un bain de toutes les particules connues, en équilibre à 10¹⁵ K, à un gaz de protons et de neutrons plongé dans un océan de photons et traversé de neutrinos libres. La physique de ce passage est celle des accélérateurs ; son application à l'Univers est une extrapolation, et le PDG rappelle qu'aucune relique directe des deux grandes transitions, la brisure électrofaible et la formation des protons et des neutrons, n'a été identifiée wiki-chronofields2014pdg.

Les protons et les neutrons viennent des quarks, qui se lient vers 10⁻⁵ s quand le bain devient trop froid pour qu'ils restent libres wiki-chrono. Qu'il en reste suppose un excès de matière sur l'antimatière, d'une particule pour quelques centaines de millions à quelques milliards de paires ; sans lui, l'annihilation n'aurait laissé qu'un baryon pour 10¹⁹ unités d'entropie au lieu de 10¹⁰ Aoki 1997Canetti 2012. Cet excès est mesuré, η = (6,104 ± 0,058) × 10⁻¹⁰, et la lumière fossile en est la cendre Fields 2020Canetti 2012. Sa fabrication exige les trois conditions de Sakharov ; le modèle standard les remplit trop faiblement, et le mécanisme réel reste inconnu Canetti 2012.

Il y a si peu de neutrons pour deux raisons, qui se succèdent. Le neutron pèse Q = 1,293 MeV de plus que le proton, et tant que les interactions faibles maintiennent l'équilibre, le bain qui refroidit le défavorise ; quand elles décrochent, vers une seconde et 10¹⁰ K, le rapport se fige vers un neutron pour six protons fields2014pdg. Puis les neutrons libres se désintègrent, avec leur quart d'heure de vie, et le rapport tombe à un pour sept quand les réactions nucléaires commencent fields2014pdgwiki-bbn. Ce rapport engage les quatre interactions : la forte et l'électromagnétique par l'écart de masse, la faible et la gravitation par la température du gel fields2014pdg.

Au même moment, les neutrinos cessent d'interagir. Leur fond fossile n'a jamais été capté ; il est pourtant compté, par l'hélium et le fond diffus, qui donnent ensemble 2,86 ± 0,15 espèces, compatible avec trois Fields 2020. L'excès de matière, le rapport entre neutrons et protons et le nombre de neutrinos passent ainsi la frontière que le PDG place à la nucléosynthèse, entre l'établi et le spéculatif fields2014pdg. En deçà, ce chapitre raconte une physique vérifiée par ses conséquences, à côté d'une origine de la matière dont on connaît la taille et pas la cause. Au-delà commence ce qu'on peut mesurer directement, à condition que les neutrons survivent à trois minutes d'attente.

Notes