Écrite pour répondre à une question : Comment passe-t-on de la soupe de particules aux premiers noyaux entre 3 et 20 minutes, pourquoi un neutron pour sept protons et 25 % d'hélium, et où en est le problème du lithium ?
1. Avant les noyaux : la soupe, puis les nucléons
La fiche frise-cosmique (section 3) donne la chronologie d'amont. Vers 10⁻¹² s, la symétrie électrofaible se brise et les particules acquièrent leur masse. Vers 10⁻⁵ s, les quarks se lient en hadrons, donc en protons et en neutrons. Vers une seconde, les neutrinos cessent d'interagir wiki-chrono. Le PDG situe ce découplage des neutrinos vers 3 MeV de température fields2014pdg.
Ces deux transitions sont de la physique testée en accélérateur, mais elles n'ont laissé aucune trace dans le ciel. Selon le PDG, on pourrait être tenté 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. Tout ce qui précède la nucléosynthèse est donc une extrapolation. La nucléosynthèse elle-même, elle, est vérifiée par des abondances mesurées. Pour se repérer : une température de 1 MeV vaut environ 10¹⁰ K.
2. Le gel des neutrons : un pour six, puis un pour sept
Tant que l'Univers est plus chaud qu'environ 1 MeV, c'est-à-dire avant l'âge d'une seconde, les interactions faibles transforment sans cesse des neutrons en protons et inversement. Le rapport des deux reste alors à l'équilibre : n/p = e^(−Q/T), où Q = 1,293 MeV est l'écart de masse entre neutron et proton fields2014pdg. En se refroidissant, l'Univers voit ces conversions ralentir plus vite que l'expansion. L'équilibre est rompu vers 1 MeV : c'est le « gel ». À ce moment-là, n/p ≈ 1/6 fields2014pdg. Wikipédia situe le gel plutôt vers 2 MeV, avec le même rapport d'environ 1/6 wiki-bbn. L'écart tient à la définition de l'instant du gel, qui est progressif.
Le neutron libre est instable : sa durée de vie est d'environ 15 minutes wiki-bbn. Une fois le gel passé, les neutrons se désintègrent donc, et le rapport tombe à n/p ≃ 1/7 au moment où les réactions nucléaires commencent fields2014pdg. C'est l'origine du « un pour sept ».
Ce rapport dépend de toutes les forces à la fois. Q dépend des interactions forte et électromagnétique. La température du gel dépend de l'interaction faible et de la gravitation, par le taux d'expansion fields2014pdg. Il est aussi sensible au nombre d'espèces de particules légères présentes, en particulier de neutrinos (section 5).
3. Le goulot du deutérium : pourquoi attendre trois minutes
Tout commence par la fusion d'un proton et d'un neutron en deutérium. Mais les photons sont environ un milliard de fois plus nombreux que les baryons, et ils cassent le deutérium dès qu'il se forme, bien après que la température est descendue sous son énergie de liaison (2,23 MeV). Le nombre de photons assez énergétiques par baryon ne passe sous l'unité que vers T ≃ 0,1 MeV fields2014pdg. Les noyaux peuvent alors se former sans être aussitôt détruits : c'est le « goulot du deutérium ». La densité est déjà faible à ce moment, « comparable à celle de l'air », et seules les réactions à deux corps comptent fields2014pdg.
Les abondances de D, ³He, ⁴He et ⁷Li sont pour l'essentiel fixées vers t ~ 180 s fields2014pdg. Vers vingt minutes, la température et la densité sont devenues trop basses pour toute fusion significative wiki-bbn. C'est ce qui donne la fenêtre usuelle de 3 à 20 minutes wiki-chrono.
La chaîne s'arrête au lithium. Il n'existe aucun noyau stable de masse 5 ou 8, ce qui bloque les fusions ⁴He + n, ⁴He + p et ⁴He + ⁴He. Les barrières coulombiennes freinent en outre les réactions plus lourdes fields2014pdg. Le lithium 7 primordial n'est d'ailleurs pas fabriqué directement : il naît surtout sous forme de béryllium 7, par la réaction ³He(⁴He,γ)⁷Be fields2014pdg. Ce béryllium se désintègre ensuite en lithium 7 wiki-bbn. L'autre bout de la chaîne, les noyaux les plus lourds comme l'or et le platine, demande des captures rapides de neutrons dans des sites encore discutés : processus-r-et-or raconte comment on les cherche, de la fusion d'étoiles à neutrons GW170817 aux sursauts de magnétars. Aucun des éléments mineurs du corps humain ne vient donc du Big Bang : elements-mineurs-du-vivant suit le sodium, le soufre, le calcium, le phosphore, le potassium et le fer jusqu'aux étoiles massives et aux naines blanches qui les ont fabriqués.
4. Pourquoi 25 % d'hélium
Presque tous les neutrons finissent dans le noyau le plus stable, l'hélium 4. La fraction de masse d'hélium se déduit alors d'un simple comptage : Yp = 2(n/p) / (1 + n/p) ≃ 0,25 fields2014pdg. En nombre d'atomes, cela fait environ 8 % d'hélium wiki-bbn.
Voici l'arithmétique, pour le récit. Sur 16 nucléons, 2 sont des neutrons et 14 des protons. Les 2 neutrons s'associent à 2 protons pour former un noyau d'hélium, soit 4 nucléons sur 16 : un quart de la masse. Les 12 protons restants sont des noyaux d'hydrogène.
L'hélium dépend très peu des taux de réactions nucléaires. Le paramètre expérimental qui pèse le plus est la durée de vie du neutron fields2014pdg. Deutérium, hélium 3 et lithium sont les « restes » : quelques 10⁻⁵ par rapport à l'hydrogène pour D et ³He, environ 10⁻¹⁰ pour ⁷Li. Au total, les abondances prédites s'étendent sur neuf ordres de grandeur fields2014pdg.
5. Une théorie sans paramètre libre, confirmée par Planck
Dans le modèle standard, la nucléosynthèse ne dépend que d'un paramètre : le rapport baryons/photons η. Or le fond diffus mesure ce paramètre indépendamment. Planck donne η = (6,104 ± 0,058) × 10⁻¹⁰ Fields 2020. Avec cette valeur, la nucléosynthèse est devenue « essentiellement une théorie sans paramètre » Fields 2020.
Les prédictions pour η₁₀ = 6,129 sont Yp = 0,24696, D/H = 2,559 × 10⁻⁵ et ⁷Li/H = 4,702 × 10⁻¹⁰ Fields 2020. Le deutérium, mesuré dans des nuages de gaz lointains éclairés par des quasars, vaut (2,55 ± 0,03) × 10⁻⁵ en moyenne sur 11 mesures Fields 2020. L'accord est remarquable, entre deux mesures du contenu en baryons que tout sépare : la chimie des premières minutes et la lumière émise 380 000 ans plus tard.
La nucléosynthèse compte aussi les neutrinos. Chaque espèce supplémentaire de particule relativiste accélère l'expansion, avance le gel et augmente l'hélium, d'environ ΔYp ≃ 0,013 par espèce fields2014pdg. La combinaison nucléosynthèse + fond diffus donne Nν = 2,86 ± 0,15 Fields 2020, compatible avec les trois familles connues. La valeur standard est de 3,04 une fois pris en compte un léger chauffage des neutrinos fields2014pdg.
6. L'hélium mesuré : un accord, et une discussion sur la troisième décimale
L'hélium primordial se mesure dans les nuages de gaz ionisé des galaxies les plus pauvres en métaux, en extrapolant vers une métallicité nulle. Les incertitudes systématiques y dominent fields2014pdg. Fields et al. retiennent Yp = 0,2449 ± 0,0040 Fields 2020. Le PDG 2014 recommandait 0,2465 ± 0,0097 fields2014pdg. Le fond diffus mesure aussi l'hélium, plus grossièrement : 0,239 ± 0,013 Fields 2020.
Le programme japonais EMPRESS, qui cible des galaxies extrêmement pauvres en métaux, trouve une valeur plus basse : Yp = 0,2402 ± 0,0040 Yanagisawa 2025. Ses auteurs y voient l'indice possible d'une « asymétrie leptonique » non nulle, c'est-à-dire d'un léger excès de neutrinos sur les antineutrinos Yanagisawa 2025. C'est une piste, pas un résultat établi. L'hélium reste bien « à 25 % » : le débat porte sur la troisième décimale.
7. Le problème du lithium : les chiffres
Le lithium primordial se mesure dans les vieilles étoiles pauvres en métaux du halo de la Galaxie. Pour celles de métallicité −2,7 ≲ [Fe/H] ≲ −1,5, soit plus de 100 étoiles, Li/H est uniforme avec peu de dispersion : c'est le « plateau de Spite ». Sa valeur est (1,6 ± 0,3) × 10⁻¹⁰ Fields 2020. La prédiction est de 4,70 × 10⁻¹⁰ Fields 2020 : l'écart est d'un facteur trois environ. Selon les estimations, on parle d'un facteur 2 à 4 wiki-bbn, ou de « quatre fois » Howk 2012. Le PDG signalait dès 2014 un désaccord dépassant 5σ, selon l'analyse stellaire retenue fields2014pdg.
Ce désaccord ne dépend pas d'un choix arbitraire de η. Le lithium donnerait une valeur de η incompatible avec celle, très précise, du deutérium, et avec celle de l'hélium fields2014pdg. Et comme le deutérium est mesuré de plus en plus finement, le problème « demeure, et est même plus aigu » Fields 2020.
Une complication s'ajoute. Sous [Fe/H] ≈ −2,7, le lithium des étoiles se disperse fortement : c'est la « fonte » du plateau. Certaines étoiles détruisent donc bien leur lithium Fields 2020. Deux naines extrêmement pauvres en métaux n'en montrent même aucune trace détectable fields2014pdg. Dans cette zone non plus, aucune étoile ne dépasse le plateau Fields 2020.
8. Les pistes d'explication
Trois familles de réponses sont sur la table : une erreur de mesure ou de physique nucléaire, une destruction dans les étoiles, ou une physique nouvelle pendant la nucléosynthèse fields2014pdg.
Les mesures et la physique nucléaire : une piste presque fermée
Pour produire moins de lithium, il faudrait détruire davantage de béryllium 7 pendant la nucléosynthèse. Les recherches expérimentales ont fermé les cas les plus prometteurs, ce qui rend un « correctif nucléaire » de plus en plus improbable fields2014pdg. En 2016, l'expérience n_TOF du CERN a mesuré pour la première time la réaction ⁷Be(n,α)⁴He sur une large gamme d'énergies. Le résultat indique un rôle mineur de cette réaction, « laissant le problème du lithium cosmologique non résolu » Barbagallo 2016. Les tables de sensibilité le confirment : les voies de destruction ⁷Be(n,α) et ⁷Be(d,p) pèsent presque rien sur le lithium prédit Fields 2020.
Reste le versant observationnel. Il faut modéliser l'atmosphère des étoiles, et le résultat dépend de la manière d'estimer leur température Fields 2020. Selon les analyses, Li/H varie entre 1,7 et 2,2 × 10⁻¹⁰ fields2014pdg : aucune n'approche la prédiction.
Les étoiles : la piste la plus suivie
Les étoiles ont pu détruire leur lithium au cours de leur longue vie. Plusieurs mécanismes existent : diffusion, mélange induit par la rotation, destruction avant la séquence principale. En 2014, le PDG jugeait qu'ils « se produisent certainement », mais qu'ils exigent des réglages ad hoc pour expliquer tout le déficit, et que ces modèles plafonnent la destruction à un facteur d'environ 1,8 fields2014pdg.
En 2024, A. Korn résume des indices indépendants qui s'accumulent : les étoiles « pourraient très bien être entièrement responsables » de l'abaissement de leur lithium de surface, par diffusion atomique Korn 2024. Mais l'effet est modéré par un mélange aux frontières de la zone convective que les modèles ne savent pas prédire. Un tableau pleinement quantitatif manque donc encore Korn 2024.
Un contre-témoin vient du gaz, qui ne détruit pas son lithium comme le fait une étoile. Dans le Petit Nuage de Magellan, dont la métallicité vaut le quart de celle du Soleil, le lithium interstellaire est « presque égal aux prédictions de la BBN » Howk 2012. Pour le réconcilier avec la nucléosynthèse standard, il faudrait une destruction stellaire « extrêmement ajustée » selon la métallicité. Il est aussi compatible avec une nucléosynthèse non standard Howk 2012. Or ce gaz a déjà été enrichi en lithium par des novae, ce qui brouille l'interprétation Izzo 2022.
Une physique nouvelle : possible, mais très contrainte
Une première classe de modèles fait intervenir la désintégration de particules pendant la nucléosynthèse. Les neutrons libérés convertissent le béryllium 7 en lithium 7, plus facile à détruire. Mais ces mêmes processus fabriquent du deutérium, d'où une tension entre baisser le lithium et respecter le deutérium fields2014pdg. Une autre classe suppose une variation des constantes fondamentales, par exemple de l'énergie de liaison du deutéron fields2014pdg.
La précision du deutérium mesuré « contraint désormais fortement ces tentatives » Ganguly 2026. Les modèles récents deviennent donc des scénarios à plusieurs étages. Ganguly et al. (2026) proposent par exemple deux particules hypothétiques qui se désintègrent à deux époques successives, la seconde corrigeant l'excès de deutérium laissé par la première Ganguly 2026. Ce degré de construction est lui-même un indice : aucune solution simple ne passe.
Et s'il n'y avait pas de problème ?
Un modèle d'évolution chimique publié en 2025 prétend montrer qu'il n'y a pas de désaccord. Il couple la formation hiérarchique des structures aux rendements des premières étoiles (population III) et de la population II. Le plateau de Spite y apparaît naturellement, à ⁷Li/H ~ 1,81 × 10⁻¹⁰, et deviendrait une « signature observationnelle » de la formation des étoiles de population III Miranda 2025. C'est l'affirmation d'un seul auteur, qui n'est pas reprise par la communauté à ce stade. Voir frise-cosmique (section 6) pour ces premières étoiles, jamais observées directement.
9. La frontière du connu
La phrase que la fiche frise-cosmique donnait comme non vérifiée se lit dans la revue du PDG (édition 2014). Faute de « modèles standard » pour la baryogenèse et l'inflation, « la BBN marque toujours la frontière entre l'établi et le spéculatif dans la cosmologie du Big Bang » fields2014pdg. Le même texte conclut que, malgré le lithium, la concordance reste « remarquable ». Avec une microphysique bien établie, on extrapole jusqu'à t ~ 1 s et l'on prédit des abondances sur neuf ordres de grandeur, en accord approximatif avec l'observation fields2014pdg. Le lithium, lui, reste « un problème non résolu » fields2014pdg.
Pour l'avenir, CMB-S4 vise une précision de 0,03 sur le nombre effectif de neutrinos. Ce serait assez pour détecter la correction de 0,045 attendue dans le modèle standard Fields 2020.
Ce que le livre peut en tirer
Pour le récit. La scène est très forte. Pendant une seconde, neutrons et protons se changent l'un en l'autre. Puis les échanges « gèlent » : un neutron pour six protons. Les neutrons commencent alors à mourir, avec leur quart d'heure de vie. Trois minutes durant, la lumière casse chaque noyau de deutérium qui se forme. Quand elle faiblit enfin, tous les neutrons survivants se réfugient en quelques minutes dans l'hélium, le noyau le plus solide. Le « un pour sept » est donc un compte à rebours interrompu : une course entre la désintégration et le refroidissement. Le 25 % d'hélium se raconte par l'arithmétique des 16 nucléons, sans formule. La chaîne s'arrête parce qu'il manque deux marches, les masses 5 et 8. C'est pourquoi le carbone devra attendre les étoiles.
Pour l'essai. (1) La nucléosynthèse est aujourd'hui une théorie sans paramètre libre : Planck fixe la densité de baryons, et le deutérium tombe juste à 1 % près. C'est l'argument le plus fort pour le Big Bang chaud avant 380 000 ans. (2) Elle compte les neutrinos : trois familles. (3) Le lithium est la seule fausse note, d'un facteur trois environ. Il faut le présenter honnêtement : la physique nucléaire est quasiment disculpée, la piste stellaire est la plus suivie mais pas close, la physique nouvelle est très contrainte par le deutérium.
Contresens à éviter. Ne pas écrire que le lithium « réfute » la nucléosynthèse : deutérium et hélium concordent. Ne pas écrire que le problème est résolu : Miranda 2025 et Korn 2024 sont des positions, pas un consensus. Ne pas dire que la nucléosynthèse fabrique « les éléments légers jusqu'au béryllium » : le ⁷Be se désintègre en ⁷Li. Ne pas situer le gel des neutrons « à 3 minutes » : il a lieu vers 1 s ; c'est la fusion qui attend 3 minutes. Ne pas donner un ratio exact : c'est « environ » 1/6, puis 1/7. Ne pas dire que la brisure électrofaible ou le confinement des quarks sont « observés » dans l'Univers : aucune relique n'en est connue.
À corriger ailleurs. Dans frise-cosmique, la source pdg-bbang (non vérifiée) peut être remplacée ou doublée par fields2014pdg, où la phrase est lue (édition 2014, pas 2023). La valeur 2023 n'a pas été lue.
À vérifier avant publication. La durée de vie du neutron à jour : l'écart entre mesures « en bouteille » et « en faisceau » est mentionné mais non documenté ici. Le résultat EMPRESS 2022 (Yp = 0,2370), connu seulement par un résumé de recherche et donc non cité. Les éventuelles révisions du PDG 2024.
Voisines
- frise-cosmique — La fiche développe les époques 2 et 3 de la frise (section trois-premieres-minutes). Elle vérifie la phrase du PDG, marquée non vérifiée dans la frise (clé fields2014pdg, édition 2014), et détaille le problème du lithium que la frise réglait en une ligne.
- seuil-et-inflation — La nucléosynthèse marque la limite du vérifié. En amont (baryogenèse, inflation), il n'y a plus de « modèle standard » selon le PDG : c'est le point de passage vers ce que traite cette fiche.
Voir aussi
- vie-et-humanite — Établit que l'hydrogène vient des premières minutes ; cette fiche en chiffre la part dans le corps (≈ 10 % de la masse, 62 % des atomes).
Sources
fields2014pdg— Fields, B. D., Molaro, P., Sarkar, S. (2014). Big-Bang Nucleosynthesis. Revue du Particle Data Group, in K. A. Olive et al. (PDG), Chinese Physics C 38, 090001 (2014). arXiv:1412.1408 https://arxiv.org/abs/1412.1408 — « « The neutron fraction at this time, n/p = e^−Q/Tfr ≃ 1/6 […] After freeze-out, the neutrons were free to β-decay, so the neutron fraction dropped to n/p ≃ 1/7 by the time nuclear reactions began. » ; « Yp = 2(n/p)/(1 + n/p) ≃ 0.25 » ; « BBN still marks the boundary between the established and the speculative in Big Bang cosmology. » »fields2020— Fields, B. D., Olive, K. A., Yeh, T.-H., Young, C. (2020). Big-Bang Nucleosynthesis after Planck. JCAP 03, 010. arXiv:1912.01132 DOI 10.1088/1475-7516/2020/03/010 https://arxiv.org/abs/1912.01132 — « « (Li/H)p = (1.6 ± 0.3) × 10⁻¹⁰. As we will see in detail below, a primordial Li abundance as in (6) is far below the CMB+BBN prediction; this is the well-known 'lithium problem' » ; « ⁷Li/H = 4.702×10⁻¹⁰ (η10/6.129)^2.094 […] » ; « the lithium problem remains, and indeed is more acute given the very tight D/H observational constraints. » »wiki-chrono— Wikipedia (en), « Chronology of the universe », consulté le 26 septembre 2026 (via la fiche frise-cosmique). https://en.wikipedia.org/wiki/Chronology_of_the_universe — « Époques reprises de la fiche frise-cosmique : brisure électrofaible vers 10⁻¹² s, hadronisation vers 10⁻⁵ s, découplage des neutrinos vers 1 s, nucléosynthèse entre 3 et 20 minutes. » (non vérifié)wiki-bbn— Wikipedia (en), « Big Bang nucleosynthesis », consulté le 27 septembre 2026. https://en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang_nucleosynthesis — « « around twenty minutes after the Big Bang, the temperature and density became too low for any significant fusion to occur. » ; « The resulting measurement of primordial lithium-7 is a factor of 2–4 lower than the predicted BBN abundance » »howk2012— Howk, J. C., Lehner, N., Fields, B. D., Mathews, G. J. (2012). Observation of interstellar lithium in the low-metallicity Small Magellanic Cloud. Nature 489, 121. arXiv:1207.3081 DOI 10.1038/nature11407 https://arxiv.org/abs/1207.3081 — « « The present-day ⁷Li abundance of the Small Magellanic Cloud is nearly equal to the BBN predictions […] Our measurements can be reconciled with standard BBN with an extremely fine-tuned depletion of stellar Li with metallicity. They are also consistent with non-standard BBN. » »izzo2022— Izzo, L., Molaro, P., Cescutti, G., et al. (2022). Detection of ⁷Be II in the Small Magellanic Cloud. MNRAS. arXiv:2112.11859 DOI 10.1093/mnras/stab3761 https://arxiv.org/abs/2112.11859 — « « novae could have made an amount of lithium in the SMC corresponding to a fractional abundance of A(Li) ≈ 2.6. Therefore, it is argued that a comparison with the abundance of Li in the SMC […] could effectively constrain the amount of the initial abundance of primordial Li, which is currently controversial. » »barbagallo2016— Barbagallo, M., Musumarra, A., Cosentino, L., et al. (n_TOF Collaboration) (2016). ⁷Be(n,α)⁴He reaction and the Cosmological Lithium Problem: measurement of the cross section in a wide energy range at n_TOF (CERN). Physical Review Letters 117, 152701. arXiv:1606.09420 DOI 10.1103/PhysRevLett.117.152701 https://arxiv.org/abs/1606.09420 — « « the n_TOF results hint to a minor role of this reaction in BBN, leaving the long-standing Cosmological Lithium problem unsolved. » »korn2024— Korn, A. J. (2024). The ups and downs of inferred cosmological lithium. EPJ Web of Conferences 297, 01007. arXiv:2406.09974 https://arxiv.org/abs/2406.09974 — « « Evidence from independent studies is accumulating and indicates that stars may very well be fully responsible for lowering their surface lithium from the predicted primordial value to observed levels through internal element-transport mechanisms collectively referred to as atomic diffusion. » »miranda2025— Miranda, O. D. (2025). The cosmological lithium problem. Astronomy & Astrophysics 701, A164. arXiv:2508.09821 DOI 10.1051/0004-6361/202554482 https://arxiv.org/abs/2508.09821 — « « The primary goal is to demonstrate that there is no discrepancy between the predictions of primordial nucleosynthesis and the observed lithium abundance. […] The Spite plateau is naturally established in the range −8.0 ≲ [Fe/H] ≲ −2.0 with ⁷Li/H ~ 1.81 × 10⁻¹⁰. » »ganguly2026— Ganguly, S., Jung, T. H., Park, T.-S., Shin, C. S. (2026). Bipartite Solution to the Lithium Problem. Prépublication arXiv:2604.01324. https://arxiv.org/abs/2604.01324 — « « The primordial lithium problem remains a persistent motivation for new-physics modifications of Big Bang nucleosynthesis, yet the precision of the observed deuterium abundance now places strong constraints on such attempts. » »yanagisawa2025— Yanagisawa, H., Ouchi, M., Matsumoto, A., et al. (2025). EMPRESS. XV. A New Determination of the Primordial Helium Abundance Suggesting a Moderately Low Yp Value. Accepté dans ApJ. arXiv:2506.24050 https://arxiv.org/abs/2506.24050 — « Résumé : « Y_P = 0.2402^{+0.0040}_{-0.0040} », valeur plus basse que les estimations antérieures, suggérant une possible « nonzero lepton asymmetry ». »