Les interactions - CP3, UCL - Université catholique de Louvain

… Et les interactions
C’est bien joli vos histoires de particules, mais comment
tiennent-elles ensemble ?
Il existe 4 différentes forces permettant aux particules d’interagir entre elles :
l’électromagnétisme, les interactions faible et forte et la gravité.
Les bosons intermédiaires
Les particules constituant la matière (électron, quarks,…) ont un spin ½. On
dit que ce sont des fermions. Elles interagissent entre elles en s’échangeant
des particules appelées bosons intermédiaires. Ils sont donc les messagers
de la force en permettant aux particules d’interagir à distance. Le mot
boson désigne des particules de spin entier (0,1,…). Chaque boson est associé
à une interaction bien déterminée.
Une histoire de lignes et
de flèches…
Dans les années 70, R. Feynman imagina une représentation des
interactions à l’aide de lignes et flèches. Les lignes droites représentent
la propagation d’un fermion, les lignes ondulées celle d’un boson. Les
flèches des particules et des antiparticules ont des sens opposés.
Interaction
L’électromagnétisme
Quand
particule
et
antiparticule
entrent en collision, elles s’annihilent en
formant un boson intermédiaire.
Un boson peut se désintégrer en une
paire fermion-antifermion.
©
Pourquoi les pôles opposés des aimants s’attirent-ils?
Pourquoi la variation d’un champ magnétique induit-elle
un courant dans un conducteur et vice-versa? Ces
phénomènes
ont
une
origine
commune
:
l’électromagnétisme.
L’interaction électromagnétique est entre
autres responsable de l’attraction de 2 charges
de signe opposé et de la répulsion de 2 charges
de même signe.
L’interaction faible
La force faible est de très petite portée et est véhiculée par 3
bosons massif : un neutre (Z0), un chargé positivement (W+) et un
négativement (W-).
Cette interaction explique la désintégration
de particules lourdes en plus légères. Par
exemple, le neutron se désintègre en proton
en émettant un électron et son neutrino.
Au niveau atomique, elle assure ainsi que les électrons de charge
négative sont attirés par les noyaux positifs.
La force électromagnétique est de portée infinie et est
véhiculée par les photons qui sont des bosons de masse nulle. Les
photons (γ) sont les composantes de la lumière. Seules les
particules chargées sont sensibles à l’électromagnétisme.
L’interaction forte
Dans les noyaux atomiques, les protons de charge positive
devraient
se
repousser.
Quelle
force
s’oppose
à
l’électromagnétisme et maintient le noyau compact ?
C’est l’interaction forte, n’agissant que sur les
quarks (constituants des protons, neutrons,…), qui
permet cette cohésion.
Cette interaction est véhiculée par les gluons de
masse nulle échangés entre quarks et associe soit
un quark et un anti-quark, soit 3 quarks de couleur
différente. Les gluons portent une couleur.
C’est l’interaction la plus intense mais elle est de très faible
portée (de la taille des protons).
© “Gaston Lagaffe”, par Franquin. Editions Dupuis
Le Z0 de l’interaction faible est un frère massif du photon. Il
intervient dans des processus similaires, par exemple dans
l’annihilation d’un électron et d’un positon.
La gravité
La gravité est bien connue à notre échelle.
Elle est aussi bien responsable du fait que
la Lune tourne autour de la Terre que de
la pomme tombant de l’arbre sur la tête
de Newton.
Au niveau des particules et des atomes, la gravité est beaucoup
moins intense que les 3 autres interactions. On suppose qu’il
devrait exister un boson intermédiaire véhiculant cette force et
nommé graviton, mais à ce jour, cette particule n’a pas été
détectée et son existence est incertaine.
B. Bertrand et J. de Favereau, Université Catholique de Louvain, Mars 2004