- 1. La théorie classique des champs
- 2. Théorie quantique des champs : l'électrodynamique quantique
- 3. Théories de jauge et description des interactions nucléaires
- 4. Unification des interactions
- 5. Théorie quantique des champs et physique du solide
- 6. Au-delà de la théorie quantique des champs
- 7. Bibliographie
CHAMPS THÉORIE DES
Unification des interactions
Unification des forces fondamentales, M. Crozon
Encyclopædia Universalis France
En imposant qu'une théorie des champs respecte la symétrie ayant pour groupe de jauge le produit SU(2)×U(1), le physicien américain Steven Weinberg (né en 1933) et son collègue pakistanais Abdus Salam (1926-1996) réussirent à unifier en une seule théorie des processus aussi dissemblables que les interactions électromagnétiques et la désintégration nucléaire β. L'interaction électrofaible décrite par cette nouvelle théorie quantique des champs se réalise par l'échange d'un triplet de bosons (notés W+, W— et Z0) et du photon. Quelques années plus tard, des expériences au Cern de Genève apportaient les premières confirmations expérimentales par la découverte de la nouvelle facette des interactions faibles prédite par cette théorie, à savoir celle exprimée par l'échange du boson Z0. La production des bosons W et Z0 dans les collisions proton-antiproton en 1983, puis l'analyse fine de leurs caractéristiques grâce au grand collisionneur électron-positon (le L.E.P.) du Cern à partir de 1989 ont permis de vérifier les prédictions de cette théorie avec une précision satisfaisante.
La chromodynamique, théorie des interactions fortes dont les champs fondamentaux sont les triplets de quarks et un octet de gluons est construite sur le même principe, l'invariance de jauge étant cette fois fondée sur le groupe SU(3). Une de ses intéressantes propriétés est que le phénomène d'écrantage des charges (cf. supra) y est inversé : l'interaction entre deux quarks faiblit lorsque leur distance relative décroît. Un processus physique de très grand pouvoir de résolution distinguera donc à l'intérieur d'un proton des quarks quasi libres. Cette observation, effectuée en 1968 dans les processus de diffusion d'électrons de haute énergie sur les protons, avait d'abord paru paradoxale puisque les quarks sont tellement liés entre eux qu'on n'est jamais parvenu à les isoler. Cette propriété (appelée liberté asymptotique) permet que la charge effective (l'équivalent de la constante de structure fine α) devienne suffisamment petite à courte distance pour que la méthode perturbative puisse être appliquée avec succès à l'analyse de certains résultats expérimentaux.
La quête de l'unification des interactions fondamentales a amené les théoriciens à proposer que la théorie électrofaible et la chromodynamique soient issues d'une unique théorie « grand-unifiée » régnant sur le monde physique lorsque les énergies caractéristiques y sont supérieures à une valeur critique, en particulier dans les conditions extrêmes qui ont prévalu très peu de temps après l'explosion primordiale. Le refroidissement de l'Univers lié à son expansion aurait alors été accompagné d'une brisure de la symétrie de jauge originale engendrant la diversification des interactions fondamentales.
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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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Unification des forces fondamentales, M. Crozon
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