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  Physique des Particules Elémentaire
 
Nous avons déjà mentionné dans le chapitre de Physique Nucléaire que nous constatons donc expérimentalement que les noyaux radioactifs n'émettent pas des neutrons ou des protons. Mais nous pouvons nous interroger : comment font-ils pour synthétiser une particule alpha, ou transformer un neutron en proton, ou vice et versa? Pour répondre à ces questions, examinons les forces en présence.

Avant la découverte de la radioactivité, les physiciens avaient identifié deux forces fondamentales : la force de gravitation et la force électromagnétique. La découverte de la radioactivité et les études concernant le noyau atomique ont conduit  les physiciens à introduire non pas une mais deux nouvelles forces fondamentales!

Avant même de connaître la composition exacte des noyaux, pour expliquer l'existence  de ces systèmes minuscules et portant parfois de fortes charges positives, les physiciens avaient pressenti la nécessité d'une force de cohésion puissant capable de dominer la répulsion électrostatique s'exerçant entre ces charges (rappelons que nous avons vu en mécanique classique que la force gravitationnelle entre deux corps de masses équivalentes à celles de particules est totalement négligeable). Comme le noyau est petit, cette "force nucléaire" devait s'exercer à très courte distance. Quand J. Chadwick découvrit le neutron, il fut démontré expérimentalement que force attractive s'exerçait aussi bien entre deux neutrons, deux protons et entre un neutron et un proton. Dès 1935, H. Yukawa en élabora une théorie dont les grandes lignes sont encore acceptées mais qui doivent être améliorées suites aux défauts qui ont été mis en évidence (cf. chapitre de Physique Quantique Des Champs).

Cependant, comme nous le savons déjà, cette force nucléaire n'expliquait pas la transformation d'un neutron en proton, qui a lieu dans la radioactivité bêta-. Il fallut introduire une quatrième force fondamentale, d'intensité plus faible, baptisée pour cette raison "interaction faible", la force nucléaire devenant ipso facto "l'interaction forte".

Ainsi, en principe, la radioactivité met en jeu les quatre forces fondamentales de la Nature : la gravitation et la force électromagnétique, puisque les particules alpha et bêta possèdent une masse et une charge, et les deux interactions nucléaires, forte et faible (en fait, la gravitation, d'intensité bien moindre que les trois autres aux échelles subatomiques est souvent négligée).

Nous avons partiellement abordé dans le chapitre de Physique Quantique Des Champs les interactions fondamentales et leurs vecteurs d'interactions. Avant de nous lancer dans des calculs ardus, il est souhaitable d'abord d'acquérir un certain vocabulaire d'usage courant chez les physiciens théoriciens.

Le concept le plus simple à aborder dans le domaine de la physique des particules élémentaires est la comparaison des quatre forces élémentaires via leur constante de couplage respective (c'est un truc que les physiciens aiment bien…).

Remarque: Hubert Reeves et ses collègues astrophysiciens ont démontré qu'à l'époque de la genèse de l'Univers, la moindre déviance des constantes de couplage des valeurs nominales actuelles aurait provoqué l'instabilité des nucléons et aurait condamné l'évolution cosmique.

CONSTANTES DE COUPLAGES

Nous allons ici essayer de classer les quatre forces selon leur intensité via l'utilisation de "constantes de couplage".

Pour cela, il faut calculer les quatre interactions pour deux mêmes particules, par exemple deux protons, à des distances identiques, donc de type nucléaire, et les comparer à une grandeur commune de même dimension de sorte que leur rapport fournisse un nombre sans dimension.

Cette grandeur commune sera choisie comme étant le produit :

  (1)

Nous trouvons ainsi :

1. Pour la force de gravitation (cf. chapitre d'Astronomie) où :

  (2)

avec la masse du proton tel que . La constante de couplage de la force de gravitation vaut alors par définition :

  (3)

2. Pour la force électrique (cf. chapitre d'Électrostatique) où :

  (4)

avec les charges des protons tel que . La constante de couplage de la force électrique vaut alors par définition :

  (5)

Remarque: Nous retrouvons ici la "constante de structure fine" que nous avions vu déjà dans le chapitre de Physique Quantique Corpusculaire. On comprend ainsi mieux le choix de départ pour la comparaison relative des interactions.

3. Pour la force nucléaire forte ("strong" en anglais), où F représente la "charge nucléaire forte", la constante de couplage forte vaut (attention la valeur dépend du modèle théorique choisi!) :

  (6)

d'où son nom.

4. Pour la force nucléaire faible ("weak" en anglais) responsable de la désintégration des particules, f représente la "charge nucléaire faible", et sa constante de couplage faible vaut (attention la valeur dépend du modèle théorique choisi!):

  (7)

Ainsi tout cela peut se résumer dans le tableau phénoménologique suivant :

Les 4 interactions fondamentales

Descipriont phénoménologique

Phénomènes macroscopiques

Intensité

Gravitationnelle


Newton/Einstein


Centrale hydraulique

Electromagnétique


Maxwell


Groupes turbines-alternateurs

Force Faible


Yukawa


Pile thermoélectrique avec isotope radioactif

Forte



Yukawa


Centrale nucléaire

  (8)

ou encore avec le diagramme suivant (plus intéressant) où nous retrouvons, en tenant compte des résultats que nous avons tiré lors de notre étude des champs massiques et non massiques dans le cadre du modèle de Yukawa (cf. chapitre de Physique Quantique Des Champs) :

1. En ordonnée à l'origine l'intensité des forces tel que calculées précédemment en fonction de la distance selon le modèle de Yukawa des champs massiques (interactions faible et forte) et non massiques (interactions électr. et gravitationnelle)

2. Les schémas représentatifs (diagrammes de Feynman) des interactions conformémement aux résultats obtenus et particules déjà mentionnées dans le chapitre de Physique Quantique Des Champs.

Il convient de préciser pour la culture générale que ces quatre forces sont décrites respectivement par quatre théories :

1. La relativité générale (englobe la mécanique classique)

2. L'électrodynamique quantique (englobe l'électrodynamique)

3. La théorie électrofaible (qui enlobe l'électrodynamique quantique)

4. La chromodynamique quantique

Les trois dernières étant regroupées dans le "modèle standard".






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