INTERACTION (physique)

Les interactions nucléaires forte et faible

On appelle interaction forte la force responsable de cette cohésion nucléaire, que ni l'électromagnétisme ni la gravitation ne pouvaient expliquer. L'interaction forte est extrêmement intense à petite échelle, mais sa portée est si limitée – environ 10^–15 m – qu'elle n'influence que les particules à l'intérieur du noyau. En 1911, Ernest Rutherford montre l'existence d'un noyau dans les atomes. Environ vingt ans plus tard, on découvre que les noyaux sont eux-mêmes formés de protons et de neutrons interagissant entre eux, selon une première théorie, par l'intermédiaire d'une particule appelée pion. Dans les années 1960, la théorie des quarks, composants des neutrons et des protons, remet en question la vision de cette interaction. Par analogie avec l'électrodynamique quantique, on attribua une charge aux quarks, symboliquement représentée par les trois couleurs primaires : rouge, bleu et jaune. D'où le nom donné à la nouvelle théorie de l'interaction forte, la chromodynamique quantique, née au début des années 1970.

Dans un proton, les trois quarks ont chacun une couleur différente : il y a un quark rouge, un quark bleu, un quark vert. En moyenne, le proton est donc « blanc » puisque, dans la vision, le blanc peut être considéré comme l'addition de toutes les couleurs. Seules les particules blanches sont détectables en laboratoire et les particules colorées, tels les quarks, sont indécelables isolément. Ces derniers sont « confinés » au sein des hadrons. Les quarks interagissent entre eux par le biais de l'échange de particules de masse nulle, les gluons, qui « engluent » les quarks au sein des hadrons. Ces particules sont sensibles à la couleur des quarks. En fait, les gluons se couplent à la couleur un peu comme le photon se couple à la charge électrique. Mais tandis que le photon ne porte pas de charge électrique, de sorte qu'un photon émis ou absorbé par une particule ne change pas la charge électrique de celle-ci, les gluons, eux, transportent de la couleur. De ce fait, lors de leur émission ou de leur absorption par les quarks, ils changent la couleur de ces derniers.

L'interaction faible est responsable de la radioactivité bêta par laquelle un lepton ou un quark modifie d'une unité sa charge électrique (par exemple, par cette transformation, un neutron se désintègre en un proton, un électron et un antineutrino). Le proton appartenant en général à un noyau atomique, le phénomène se manifeste le plus souvent par l'émission d'un électron par un noyau atomique. Le rôle de cette interaction est très important puisqu'elle initie les réactions thermonucléaires qui permettent au Soleil (comme à toutes les étoiles) de produire l'énergie qui nous fait vivre, et ce pendant plusieurs milliards d'années. Sa portée très courte (de l'ordre du millième de fermi) en fait pratiquement une interaction de contact. Mais sa durée caractéristique, nécessaire à sa pleine manifestation, est beaucoup plus longue que pour les interactions électromagnétique ou forte. L'interaction faible est transmise par des particules massives, presque cent fois plus lourdes que le proton, les bosons intermédiaires W⁺, W^– et Z⁰, découverts au Cern en 1983. L'existence de ces trois particules avait été prédite quelques années auparavant par une théorie audacieuse unifiant les interactions électromagnétique et faible (de la même manière que l'unification de l'électricité et du magnétisme avait rendu nécessaire l'onde électromagnétique) : la théorie électrofaible, élaborée en 1967, par Sheldon Glashow, Steven Weinberg et Abdus Salam.

Aujourd'hui, les physiciens continuent de chercher à donner une description unifiée de ces quatre interactions. Ayant remarqué[...]