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. 

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 permis 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.

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.