Les Interactions Fondamentales
Historique

Lorsque Newton a pris la célèbre pomme sur sa tête, il a compris que la terre attirait les objets situés autour d'elle. On sait aujourd'hui (depuis 1916 et la relativité générale d'Einstein) que la gravitation agit sur tout corps possédant une énergie et pas forcément une masse. Au cours du 19ème siècle, on a également découvert que des corps électriquement chargés agissait les uns sur les autres. C'est la force électromagnétique. Ces deux forces agissent quelque soit la distance qui sépare les corps. Il existe également des forces n'agissant qu'à très courte distance, ce qui nous empêche de nous en rendre directement compte. L'interaction forte agit sur les quarks pour assurer la cohésion de ceux-ci dans les hadrons, et sur les hadrons pour assurer la cohésion, notamment, du noyau des atomes. L'interaction faible entre en compte dans la désintégration Bêta, c'est à dire l'émission d'un électron par un noyau radioactif.

Voir un tableau récapitulatif des Interactions et de leurs Bosons Vecteurs

La Portée des Forces

On sait désormais que ces quatre forces sont véhiculées dans l'espace par des bosons dit vecteurs. Ces particules ne peuvent par ailleurs pas dépasser la vitesse de la lumière si bien qu'une force n'agit pas immédiatement. Par ailleurs, la portée d'une force est inversement proportionnelle à la masse de son vecteur. En effet, l'émission du boson composant le signal correspondant à une force, constitue une entrave à la conservation de l'énergie. La mécanique quantique et son célèbre principe d'incertitude d'Heisenberg imposent alors à ce surplus d'énergie d'avoir une durée de vie limitée, inversement proportionnel à sa valeur en énergie et donc à la masse du boson. Celui-ci n'a donc qu'un court instant pour véhiculer la force et, se déplaçant à une vitesse finie (inférieure ou égale à celle de la lumière), il ne peut agir que sur une courte distance. Par contre, si la masse est nulle, l'énergie de masse l'est aussi et la conservation de l'énergie n'est pas violée. La force peut alors agir à n'importe quelle distance.

La Force Électromagnétique

La force électromagnétique est véhiculée par le photon, qui est de masse nulle, et est donc à portée infinie. Toutes les objets chargées lui sont soumises. Elle s'applique donc à une grande partie de notre environnements. Pour des charges ponctuelles, sa valeur est inversement proportionnelle au carré de la distance mais varie également avec la vitesse des objets. Cette force est souvent assimilée à la force de Coulomb (ou force électrostatique) qui est strictement colinéaires au vecteur reliant les deux particules. Mais en fait, il existe un terme transversale, la force magnétique, qui est environ 1E22 fois plus faible que la force électrostatique.

Elle se manifeste sous de nombreuses formes telles que l'induction électromagnétique qui sert dans les alternateurs et la stabilité de l'atome dans lequel l'électron chargé négativement est attiré par le noyau qui est chargé positivement. La théorie la décrivant était jusqu'au années 1950, la théorie de Maxwell mais l'influence de la mécanique quantique a poussé les scientifique à généraliser cette théorie. Ainsi est apparue l'électrodynamique quantique.

La Force Forte

La force forte agit de deux façon très distinctes : sur les quarks et sur les hadrons.

Entre les quarks, elle est régie par les gluons dont la masse est nulle. La portée est donc infinie. La théorie prévoit que cette force décroît avec la distance mais des expériences semblent prouver qu'elle devient constante. Ainsi, lorsqu'on éloigne deux quarks, elle agit dessus comme un élastique tendu entre-eux. Si bien que beaucoup d'énergie potentielle apparaît entre eux, à tel point que cette énergie suffit à matérialiser une nouvelle paire quark-antiquark. Il est donc très difficile de séparer des quarks. On dit qu'ils sont confinés.

Si considère les hadrons en tant que particule et non en tant qu'assemblage de quarks, les interactions fortes entre les différents quarks les constituants peuvent être décrites par un échange de méson. Ce méson dépend des hadrons considérés. Dans le cas du noyau, et donc des protons et neutrons, il s'agit de mésons Pi. Cependant, cette modélisation rend les calculs très difficiles à mener.

Ces particules étant assez massives, la portée de l'interaction est très courte, de l'ordre du femtomètre. Ceci permet d'étudier la désintégration Alpha des isotopes radioactifs : un noyau d'hélium dans le noyau instable doit franchir une grande barrière de potentiel pour s'en échapper. Cependant, la mécanique quantique lui donne une certaine probabilité, plus ou moins faible selon la période de l'isotope étudié, de s'échapper. Par contre, dès qu'il a franchi la barrière de potentiel, il est suffisamment loin du noyau pour que la force forte n'agisse plus sur lui. La particule Alpha peut donc s'échapper.

La Force Faible

L'interaction faible agit lors de la désintégration Bêta par échange de bosons vectoriels de jauge, W+, W- et Z°. Tout comme la gravitation agit sur les masses, la force électromagnétique sur les charges et la force forte sur les couleurs, l'action de la force faible est régie par une propriétés des particules appelée "saveur". Ces bosons ont été découvert en 1983 au CERN, ce qui a été le couronnement de la théorie électrofaible, théorie qui prévoyait leur existence. Ces bosons sont très massifs (entre 800 et 1000 MeV/c²). Le principe d'incertitude d'Heisenberg limite donc très fortement leur durée de vie, si bien que la portée de la force faible est limitée à un centième de femtomètre. Cette faible portée peut aussi être vue comme une conséquence de la grande instabilité des bosons vectoriels intermédiaires étant données leurs masses très importantes.

Cette force ne peut donc pas souvent agir, d'où son nom. Elle est également la seule force qui agit sur le neutrino.

La Gravitation

La gravitation a été formalisée par Einstein en 1916 dans sa théorie de la Relativité Générale. On a ainsi étendu son action aux corps sans masse mais énergétiques. Cette théorie n'a toujours pas été contredite à ce jour mais est très difficile à lier aux théories décrivant les autres forces. Selon les théories supersymétriques, la gravitation serait régie par l'hypothétique graviton, qui doit être de masse nulle car cette force semble agir à n'importe quelle distance, et de spin 2.

Il peut être intéressant de remarquer que la gravitation est la seule force à ne pas pouvoir se neutraliser. En effet, contrairement à la charge électrique, la saveur et la couleur, la masse est toujours positive. Les différentes attractions ne peuvent donc pas se compenser. A grande échelle, les trois autres forces vont donc pouvoir s'annuler globalement tandis que la gravitation agira toujours.

Intensité Relative des 4 Forces

Lorsqu'on se place à courte distance (moins d'un centième de femtomètre), la force forte est très supérieure aux autres. Si on lui attribue une intensité égale à 1, alors la force électromagnétique vaudra 1E-2, la force faible 1E-5 et la gravitation 1E-39.

En fait, seule la force faible n'agit que très peu. Les trois autres ont chacune leur domaine de prédilection : en dessous du femtomètre, la force forte domine toute les autres. Ensuite la force forte en hadrons disparait et celle entre quarks n'agit que rarement du fait du confinement des quarks. C'est donc la force électromagnétique qui prend le relais. Lorsqu'on arrive à des systèmes macroscopique, les charges positives et négatives se compensent souvent et la force électromagnétique disparaît donc. C'est alors la gravitation qui régit l'univers.

Les Théories de Grande Unification

Les scientifiques tentent actuellement de construire des théories qui décrivent toutes les forces en même temps. Un premier pas a été réalisé en 1969 lorsque la théories électrofaible a réussi à expliquer simultanément les forces électromagnétique et faible. Désormais, on cherche à unifier cette théorie avec la force forte.

Un autre pas a été franchi avec le développement des théories supersymétriques. En effet, ces théories permettent de montrer que les lois de la physique sont indépendantes du référentiel d'étude, ce qui est l'hypothèse de base de la Relativité Générale d'Einstein. La supersymétrie permet donc de décrire la gravitation, tout en décrivant le modèle standard des particules.

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