Les interactions fondamentales
L’interaction forte revue et corrigée
Les quarks étant devenus les composants de base des nucléons, il a fallu expliquer la cohésion de ces derniers. Il n’a cependant pas été nécessaire d’introduire une nouvelle force pour cela. Les physiciens se sont contentés de confier ce rôle à l’interaction forte dont c’est même devenu la mission principale. Sans entrer dans le détail de la théorie, appelée « chromodynamique quantique », qui est passablement complexe, nous préciserons ici que la force de liaison entre quarks possède des caractéristiques tout à fait inédites. En effet, rappelons qu’il a toujours été impossible d’extraire un quark du nucléon qu’il « habite ». Pour expliquer cela, les théoriciens font appel à une force attractive entre quarks, une sorte de « force de rappel » dont l’intensité augmente en même temps que la distance entre quarks, comparable à celle qui s’exerce lorsque l’on tend un ressort. Les particules médiatrices de cette force sont les « gluons ». Des échanges de gluons sont donc responsables des forces entre quarks, comme les échanges de photons expliquent les forces électromagnétiques. Pour des raisons théoriques, huit types de gluons ont dû être introduits pour rendre compte de la complexité des phénomènes observés en physique des particules.
Dans cette nouvelle représentation, l’image des forces nucléaires introduite par Yukawa est restée valable, du moins comme une première approximation. En effet, les nucléons ne se réduisent pas à trois quarks liés par une force élastique, et agités de vibrations. La théorie, dont l’élaboration se poursuit, considère que les trois quarks (ddu pour le neutron) sont en fait des quarks « de valence », surnageant sur une mer de quarks et d’antiquarks en perpétuel bouillonnement. De cette mer surgissent sans cesse des mésons, dits « virtuels », de durée de vie très éphémère, qui, tels des poissons volants, font une brève apparition avant de disparaître à nouveau dans les profondeurs. Ces êtres bizarres évoluent à l’intérieur des nucléons, mais aussi dans leur proche environnement. Chaque nucléon est ainsi entouré d’une véritable « chevelure » de mésons virtuels. Certains d’entre eux peuvent être capturés par les nucléons voisins, et c’est ce processus permanent d’échanges qui constitue les forces de liaison des nucléons entre eux.
Un noyau s’apparenterait donc davantage à une molécule qu’à un atome. En effet, dans un atome, les électrons sont liés au noyau par l’action directe de la force électromagnétique, c’est-à-dire par l’échange de photons. En revanche, la cohésion d’une molécule est assurée par la mise en commun -c’est-à-dire l’échange permanent – d’électrons entre deux ou plusieurs atomes. Ces électrons peuvent être considérés comme des médiateurs « secondaires », puisque c’est à travers eux que se développe une force d’attraction entre des noyaux atomiques, chargés positivement, et qui, logiquement devraient se repousser. De même, dans un noyau, ce sont les échanges d’un ou plusieurs « médiateurs secondaires », les mésons, qui assurent la cohésion de l’ensemble. Une différence essentielle entre les liaisons intramoléculaires et intranucléaires est que les électrons sont des particules réelles alors que les mésons responsables des interactions entre nucléons sont virtuels.
L’interaction faible aussi
La théorie de l’interaction faible élaborée par Fermi en 1933 pour expliquer la radioactivité (3 resta inchangée pendant presque vingt-cinq ans. Cependant, en 1957, on découvrit que la désintégration 3 ne respectait pas toutes les règles de symétrie qui semblent gouverner notre Univers, et il fallut apporter une modification à la théorie sous-jacente. Bien que très importante du point de vue formel, cette modification n’altérait pas fondamentalement le mécanisme de la radioactivité β.
Enrico Fermi n’eut jamais connaissance de cet élément nouveau, puisqu’il était décédé trois ans plus tôt, à Chicago, à l’âge de cinquante-trois ans. Sa théorie, dûment modifiée, resta pleinement valable jusque dans les années 1970, et elle est encore considérée comme une excellente approximation.
L’étape décisive dans l’élaboration de la théorie de l’interaction faible fut réalisée dans le cadre de son unification avec la force électromagnétique. La théorie quanti- que du champ électromagnétique avait considérablement évolué depuis les travaux remarquables de Pauli et Dirac, en 1927, sur l’équation quantique et relativiste de l’électron, qui en constituaient les premiers pas. Elle avait atteint sa maturité vingt ans plus tard, sous le nom d’électrodynamique quantique, avec les travaux décisifs de l’Américain Richard Feynman. Elle fut ensuite utilisée comme modèle pour le traitement théorique des deux forces nucléaires. C’est de là que vint l’idée générale que toute force se transmettait à distance via l’échange de particules, les médiateurs.
Dans les années 1960 se forgea peu à peu l’idée que l’interaction faible et l’interaction électromagnétique pouvaient être réunies dans une même théorie. Celle-ci fut formulée en 1967 par le Pakistanais AbdusSalam et l’Américain Steven Weinberg159. Selon cette théorie, en plus du photon qui se manifeste dans l’interaction électromagnétique, trois médiateurs devaient entrer en jeu dans l’interaction faible. Il s’agissait de particules de spin égal à 1, comme le photon, c’est-à-dire de bosons. L’un d’eux, nommé Z°, devait avoir une charge nulle, les deux autres, appelés W + et W transportaient une charge électrique, respectivement positive (+ e) et négative (- e). Les premières confirmations expérimentales de cette théorie furent obtenues en 1973 au CERN par une collaboration européenne à forte composante française. Cette expérience était un exploit technologique, puisqu’elle mettait simultanément en jeu des faisceaux très intenses de neutrinos et un détecteur géant, la chambre à bulles « Gargamelle ». Celle-ci avait été réalisée dans les laboratoires français. Les résultats furent conformes aux espérances, puisque cette expérience permit d’observer, pour la première fois, ce qu’on appelait des courants neutres160 dans l’interaction faible, c’est-à-dire des interactions sans échange de charge, entre neutrinos et électrons, par exemple.
Une dizaine d’années plus tard, les trois « bosons intermédiaires », Z°, W + et W ~ furent produits et identifiés dans une très belle expérience, réalisée au CERN également. La conception de cette dernière relevait pratiquement de la science fiction, puisqu’il s’agissait de créer trois particules qui n’existaient alors que dans l’imagination humaine, et ceci par une technique d’avant-garde impliquant des collisions de protons et d’antiprotons circulant en sens inverse dans un anneau ! L’expérience fut pourtant couronnée de succès, et ses promoteurs de lauriers, puisque le prix Nobel de physique 1984 fut attribué conjointement à l’italien Carlo Rubbia, concepteur de l’expérience, et au Néerlandais Simon Van der Meer, qui avait mis au point une technique toute particulière permettant de conserver le plus longtemps possible, dans un anneau de stockage, les antiprotons fabriqués au préalable et à grand peine par des collisions entre protons.
Au-delà de sa gigantesque portée scientifique, ce magnifique succès appelle deux remarques :
- La première, c’est qu’il signe de façon incontestable le retour de l’Europe en toute première place dans la compétition internationale en ce qui concerne la physique des hautes énergies et des grands instruments. Il aura fallu trente à quarante ans pour que ce continent, lourdement éprouvé par le conflit de 1939-1945 parvienne, notamment grâce à l’effort d’union internationale que constituait le CERN, à remonter son handicap par rapport aux États-Unis.
- La seconde remarque concerne l’attribution des prix Nobel dans des disciplines telles que la physique des particules où les expériences sont pratiquées par de très grandes équipes. Dans celle qui nous concerne, deux personnes ont reçu la récompense suprême parmi les quelques centaines qui s’étaient impliquées dans cette expérience. Cela montre – mais est-ce nécessaire ? – que, plus que jamais, l’abnégation doit faire partie des qualités requises pour faire carrière dans la recherche scientifique.
Forces et particules aujourd’hui
Les travaux des physiciens du xxe siècle ont donc permis d’élaborer une vision très cohérente et synthétique de la matière qui peut se résumer de la façon suivante : l’ensemble de la matière peut être construit à partir de douze constituants fondamentaux, six quarks et six leptons regroupés en trois familles.
Ces particules de matière possèdent toutes un spin 1/2. Ce sont donc des fermions, c’est-à-dire qu’elles obéissent à la statistique de Fermi-Dirac et, en particulier, au principe de Pauli. Elles sont soumises à l’action de quatre forces fondamentales qui rendent compte de l’ensemble des phénomènes de physique actuellement connus. Ce sont la force électromagnétique, l’interaction faible, l’interaction forte et la gravitation. Les deux premières ont été unifiées sous la dénomination d’interaction électrofaible. Selon la théorie quantique des champs, ces forces s’exercent entre particules via l’échange de « médiateurs ». Ces « particules de force », très spécifiques, possèdent un spin entier, et, de ce fait, échappent au principe de Pauli et sont régis par la statistique de Bose-Einstein. Ce sont donc des bosons161. Le graviton, particule hypothétique responsable de la gravitation, n’a jamais été observé. Le photon est le vecteur de la force électromagnétique, et trois bosons, dits « intermédiaires », Z°, W + et W ‘ transmettent l’interaction faible. Enfin huit gluons constituent les médiateurs de l’interaction forte. Le spin de tous ces bosons médiateurs est égal à 1, hormis celui que l’on attend pour le graviton qui est égal à 2.
Dans la théorie des forces – ou des champs -, quarks et leptons sont considérés à la fois comme sources et récepteurs de champs. Cela signifie qu’ils engendrent des forces et sont sensibles à ces forces. Cependant, toutes les particules ne sont pas égales devant les forces. Si elles sont toutes sensibles à la gravitation – en raison de leur masse ou de l’énergie qu’elles véhiculent – et à l’interaction faible, seuls les leptons chargés et les quarks peuvent interagir via la force électromagnétique, et seuls les quarks sont soumis à l’interaction forte.
Toutes les propriétés de la matière, et en particulier tous les phénomènes liés à la radioactivité, découlent de ces interactions entre particules.
Vidéo : Les interactions fondamentales
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