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Remonter aux origines
Physique des particules
Physique hadronique
Cosmologie
Astroparticules
L'Univers serait né il y a 13,8 milliards d’années, dans une phase incroyablement dense et chaude appelée Big Bang. Pour explorer ces instants primordiaux, deux approches sont possibles : celle de l'infiniment petit, en recréant des collisions de particules aux énergies qui régnaient alors et celle de l'infiniment grand, en étudiant les signaux fossiles de l'Univers.
Big Bang par l’infiniment petit
Les accélérateurs de particules, des machines à remonter le temps
À la naissance de l’Univers, la matière est si dense et de température si élevée qu’aucune structure ne peut exister : seuls les composants élémentaires, insécables, sont présents. Le refroidissement qui a accompagné ensuite son expansion a entraîné l’apparition de structures de plus en plus complexes : les noyaux, les atomes, puis les astres, les galaxies,... Il est possible de faire renaître ces premiers instants grâce à des impacts très énergétiques provoqués dans les collisionneurs de particules qui recréent ainsi les conditions de densité et de température d’alors : des collisions de noyaux ou de constituants élémentaires tels que les protons ou les électrons produisent ainsi des particules qui existaient quelques fractions de seconde après le Big Bang.

Dans les collisions de haute énergie se forment des particules et des événements qui n’ont existé que brièvement après le Big Bang
crédits : Polar Media

10−32 seconde après le Big Bang
À l’origine était la force électrofaible
Les cinquante dernières années ont permis de comprendre les particules et les mécanismes en jeu dans l’Univers primordial, dans une période s’étendant environ entre 10−32 et 10−12 seconde après le Big Bang. En particulier, on sait désormais qu’alors la force électromagnétique et l'interaction faible formaient une seule et même force : l'interaction électrofaible.

Unification théorique des 4 forces fondamentales. Seule l’unification des forces faible et électromagnétique a été expérimentalement constatée. Les autres unifications auraient lieu à des énergies encore hors d’atteinte pour les physiciens.
crédits : IN2P3 d’après CERN/IP2I/CMS

Collision d’ions de plomb dans de détecteur ALICE auprès du collisionneur LHC en 2018
crédits : CERN

1 microseconde après le Big Bang
Recréer sur Terre la matière du Big Bang
Environ une microseconde après le Big Bang, la température de l’Univers a suffisamment diminué pour que les quarks et les gluons qui évoluaient jusqu’alors librement, constituant le plasma de quarks et de gluons, se combinent et forment des hadrons, dont en particulier les protons et neutrons. Pour étudier cette transition majeure dans l’histoire de l’Univers, on provoque des collisions très énergétiques d’ions lourds. Plusieurs expériences étudient cette « soupe primordiale » dont notamment la collaboration ALICE auprès du LHC
Big Bang par l’infiniment grand
Des indices plein l’Univers
Le Big Bang a laissé dans l’Univers des indices presque imperceptibles que les physiciens et physiciennes tentent de saisir pour reconstituer le puzzle du modèle standard de la cosmologie. La première victoire a été la découverte puis la cartographie du fond diffus cosmologique qui donne de précieuses informations sur l’Univers tel qu’il était 380 000 ans après le Big Bang. En effet, l’intensité de cet écho lumineux du Big Bang nous renseigne sur la densité de matière, tandis que sa polarisation permet de reconstituer ses derniers mouvements.

Univers observable en température et en polarisation
crédits : Patrick Dumas pour l’IN2P3

Satellite LiteBIRD
crédits : CNES JAXA

Retrouver les traces de l’expansion initiale
Une course est ouverte pour parvenir à mesurer avec encore plus de sensibilité la polarisation du fond diffus cosmologique. Celle-ci pourrait en effet avoir été imprimée par le passage des ondes gravitationnelles générées pendant l’inflation primordiale de l’Univers. Plusieurs initiatives vont tenter de la détecter, dont le satellite LiteBIRD ci-contre.
En direct de la première seconde après le Big Bang
À l’issue de la première seconde, l’Univers s’est dilaté et a refroidi suffisamment pour que les neutrinos ne puissent plus interagir avec le reste de la matière et, en quelque sorte, s'échappent. Il devrait donc exister un fond diffus de neutrinos, témoin de cette première seconde, que les astrophysiciens rêvent de mesurer. Sera-t-il possible de le détecter un jour ?
Détecter les ondes gravitationnelles de l’âge sombre
Entre l’émission du fond diffus cosmologique et l’allumage des premières étoiles, l’Univers a connu, dans ses toutes premières centaines de millions d’années, un âge sombre que les physiciens se proposent d’explorer avec les ondes gravitationnelles. La future génération de détecteurs, à l’image du projet Einstein Telescope, promet ainsi de faire des observations cruciales pour la cosmologie et la compréhension de l’évolution passée de l’Univers.

Vue d’artiste du projet Einstein Telescope. Il forme un triangle souterrain de 10 km de côté
crédits : ET