INTERACTIONS (physique) Interaction nucléaire forte
La chromodynamique quantique
Quarks et nucléons : interaction
Encyclopædia Universalis France
Les développements théoriques novateurs des années 1967-1972 permettent d'accéder à la compréhension moderne de l'interaction nucléaire forte. Dans le cadre de la chromodynamique, théorie quantique des champs construite à partir du modèle qu'est l'électrodynamique quantique, l'interaction nucléaire forte est la manifestation de quelques processus élémentaires mettant en jeu les quarks et les gluons. De nouvelles « charges » quantiques, appelées « couleurs », jouent le rôle de la charge électrique. Huit particules différentes sont équivalentes aux photons : ces gluons, capables de changer la couleur d'un quark, portent eux aussi un caractère coloré. L'intensité de l'interaction forte est, au niveau élémentaire, décrite par le couplage entre les quarks et les gluons et par l'autocouplage des gluons. Cette intensité varie significativement avec la distance des objets, et cela de façon assez paradoxale puisqu'elle diminue lorsque la distance décroît. C'est ce qu'on appelle la propriété de liberté asymptotique, comprise en termes théoriques comme une propriété d'anti-écrantage des charges élémentaires par les fluctuations quantiques du vide qui les entoure. À une distance de l'ordre du femtomètre, l'interaction forte entre les quarks est dix fois plus efficace que l'électromagnétisme. La minuscule portée des forces entre les protons et les neutrons s'explique dans ce cadre par la neutralité de couleur des nucléons. S'ils sont très proches, les fuites de flux de couleur à partir des quarks et des gluons mal localisés dans les différents nucléons induisent une force attractive suffisante pour assurer la stabilité du noyau. Si les nucléons sont éloignés, la charge effective de couleur devient trop faible pour donner naissance à une force intense.
La chromodynamique quantique obéit à une loi de symétrie fondamentale. Sa dynamique est invariante dans une redéfinition des « couleurs » des quarks et des gluons. Cette propriété se traduit mathématiquement par l'invariance des équations fondamentales lors des transformations − dites de jauge − qui modifient arbitrairement la phase (au sens de la théorie mathématique des nombres complexes) de la fonction d'onde des particules. Ces transformations ont la structure mathématique du groupe de jauge noté SU(3). Une autre propriété de symétrie est approximativement respectée : les transformations chirales, qui distinguent les champs « gauches » et « droits », dans le sens donné en stéréochimie à certaines molécules, laissent invariantes certaines équations maîtresses de la théorie, mais l'état fondamental – ce qu'on appelle le vide quantique − brise cette invariance, ce qui a pour conséquence que les états physiques ne reflètent pas cette symétrie sous-jacente. On dit que la symétrie chirale est « spontanément brisée » ; la conséquence la plus importante de cette propriété est la faible masse du méson π qui joue dans ce contexte un rôle très particulier.
La caractéristique la plus surprenante de la chromodynamique quantique est que les champs fondamentaux − quarks et gluons – n'apparaissent pas directement dans les expériences habituelles. Des quarks isolés ne peuvent pas être détectés car ils restent groupés et confinés dans les protons, neutrons et autres hadrons. Cependant, des études théoriques ont montré qu'un ensemble de hadrons se dissout en une « soupe » de quarks et de gluons lorsque la densité d'énergie dépasse une valeur critique environ dix fois supérieure à celle qui existe dans un noyau. Au-dessus de cette « température de déconfinement », l'état de la matière nucléaire est un plasma dans lequel quarks et gluons interagissent sans se rassembler en hadrons. Dans le scénario du [...]
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Écrit par
- Bernard PIRE : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau
Classification
Médias
Yukawa Hideki
Keystone/ Getty Images
Murray Gell-Mann (1929-2019)
Kevin Fleming/ Corbis/ Getty Images
Diagramme de Feynman de l'interaction nucléaire forte
Encyclopædia Universalis France
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