INTERACTIONS (physique) Interaction nucléaire faible
L’interaction nucléaire faible est une des quatre interactions fondamentales, à côté de la gravitation, l’électromagnétisme et l’interaction nucléaire forte. Elle est ainsi nommée parce que sa portée est inférieure à la taille d’un noyau atomique et que son intensité est bien moindre (d’environ 1 million de fois) que l’interaction forte responsable de la cohésion des noyaux usuels. Ses propriétés sont très particulières et sa compréhension – encore incomplète – se heurte à la difficulté des mesures expérimentales permettant de mettre à l’épreuve les modèles théoriques qui la représentent.
Quelques manifestations de l’interaction nucléaire faible
L’existence de l’interaction nucléaire faible s’est imposée pour interpréter plusieurs catégories d’observations, inexplicables si on n’y fait pas appel.
La désintégration β
La première observation d’une manifestation de l'interaction nucléaire faible est celle de la désintégration β– de certains noyaux atomiques, la transmutation d'un élément de numéro atomique Z (nombre de protons d’un atome) et de nombre de masse A (nombre de protons + neutrons) vers un élément de numéro atomique Z + 1 et de même nombre de masse selon (A, Z) → (A, Z + 1) comme dans le cas de la désintégration du potassium 40 en calcium 40. On observe l’émission d’un électron, conformément à la conservation de la charge électrique totale des particules. On comprend maintenant ce processus comme dû à la transformation d'un neutron (n) en un proton (p) avec émission d’un électron (e–) et d’un antineutrino () selon la réaction : n → p + e– + .
La radioactivité β+ est une réaction plus rare mais très semblable, où un noyau (A, Z) se transmute en un élément (A, Z – 1) en émettant un antiélectron (ou positron, e+) et un neutrino selon : (A, Z) → (A, Z – 1) + e+ + .
Le potassium 40 se désintègre ainsi en argon 40, réaction utilisée dans la technique de datation des roches d’origine magmatique. Alors que le neutron libre est sujet à la désintégration β– – ce qui est la cause de son temps de vie de l’ordre de 886 secondes –, le proton libre est stable car sa masse est inférieure (d’environ 1 pour 1 000) à celle du neutron, et la conservation de l’énergie interdit sa désintégration β+.
Une troisième forme de radioactivité est due à la capture d’un électron par un noyau selon : (A, Z) + e– → (A, Z – 1) + , comme dans le cas de la désintégration du calcium 41 en potassium 41.
Il fallut des décennies de recherches pour que ces divers phénomènes de transmutation soient expliqués comme autant de manifestations d'une force fondamentale appelée interaction nucléaire faible, qui agit au niveau des nucléons – en fait au niveau des constituants des neutrons et protons, les quarks –, des électrons et des neutrinos.
Le spectre continu des électrons dans la radioactivité β
À l'exception des photons et des gluons, toutes les particules élémentaires sont soumises aux effets de l'interaction nucléaire faible et les neutrinos jouent un rôle essentiel dans la compréhension de cette interaction. Comme ils sont dépourvus de charge électrique et de charge de couleur (caractéristique de l’interaction forte dans le formalisme de la chromodynamique quantique), les neutrinos sont insensibles aux interactions électromagnétiques et aux interactions nucléaires fortes : leur présence signe donc l'action des interactions faibles. C'est en décembre 1930 que le théoricien suisse Wolfgang Pauli (1900-1958) suggère leur existence pour donner une explication simple au spectre continu des électrons émis dans la radioactivité β : l’émission de particules qu’il appelle neutrinos, en emportant une partie de l’énergie émise lors du rayonnement β[...]
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Écrit par
- Bernard PIRE : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau
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