La physique quantique

La physique quantique

Traces de jets et d'interactions après une collision entre particules dans la première chambre à bulles du CERN de 30 cm de diamètre utilisée en 1970. Les cercles concentriques sont des électrons déviés par le champ magnétique. Document CERN.

Les interactions entre particules (IV)

Regardons un instant le ciel d'une nuit sans Lune au bord d'un lac. Incrustées dans le velours noir de la nuit, les étoiles scintillent d'un vif éclat. De temps en temps un météore évanescent signe son passage en lettres de feu. Son éclat se reflète dans l'eau du lac. Au loin, à l'horizon, on distingue de la vapeur d'eau s'échapper des tours de refroidissement d'une centrale nucléaire.

Sans nous en rendre compte, les quatre interactions de la Nature sont présentes autour de nous. L'éclat des étoiles représente des photons vecteurs de l'interaction électromagnétique qui se propage à la vitesse de la lumière. En rentrant dans l'atmosphère terrestre, le météore nous signale qu'il est sous l'emprise de l'interaction gravitationnelle dont le vecteur serait le graviton. C'est l'interaction forte des gluons mêlée à l'interaction électromagnétique qui assurent la cohésion des molécules d'eau. Enfin, la chaleur libérée par l'uranium est entretenue par sa radioactivité. Cette propriété est provoquée par l'interaction faible des bosons W et Z qui désintègre la matière et touche l’électron. On reviendra plus loin sur les bosons.

L'électromagnétisme et la gravitation nous sont familiers par leurs effets dans notre vie quotidienne. Tous deux portent leur influence à l'infini, ce qui signifie qu'aussi éloigné vous soyez d'un corps dans l'univers, l'attraction du Soleil par exemple existera toujours. Il faut immédiatement ajouter que d'autres corps, plus proches de vous ou plus massifs viendront gommer son attraction. Ce champ de force suit la loi dite en "carré inverse" : si la distance double, son effet devient quatre fois plus faible. Cet effet est lié aux trois dimensions de l'espace. Nous y reviendrons dans un autre article consacré au principe anthropique.

Décrivons à présent ces quatre interactions fondamentales.

L'interaction électromagnétique

L'interaction électromagnétique est responsable des liaisons électroniques entre atomes chargés. Rappelons que ces liaisons peuvent être de deux types: ioniques avec un gain ou une perte d'électron au profit de la molécule résultante, (H⁺⁺O^--) ou covalentes, mettant en commun les électrons des couches externes des deux atomes (CH₄). Cette liaison qui solidarise les atomes et les molécules est due à la force électrostatique de Van der Waals et suit la loi coulombienne dans le même rapport que la force d'attraction de Newton.

C’est cette force qui explique par exemple l’adhérence d’une bille d’acier sur un plan incliné en caoutchouc. Elle est limitée à l'échelle des molécules et peut-être neutralisée par une charge de signe opposé - ou quelques poussières sur notre plan incliné. Etant donné qu'une certaine énergie est utilisée pour assurer cette liaison, l'énergie de la molécule est inférieure à celle des deux atomes séparés; c'est le défaut de masse. On retrouve ce concept en thermodynamique à propos du phénomène d'entropie et de la source d'énergie du Soleil.

A lire : "A Model of Leptons", interview with Steven Weinberg, CERN Courier

Fundamental Physical Constant, NIST

Les dernières valeurs des constantes de la physique

Le modèle Standard

A gauche, les particules fondamentales constituant la matière sont élaborées à partir de 6 leptons et de 6 quarks (en noir). Le modèle Standard représenté par les théoriques quantiques du champ décrit ces particules et leurs interactions. Il s'agit de théories de jauge non abéliennes. L'interaction électrofaible est véhiculée par l'échange de 4 particules (en gris foncé). il s'agit du photo (gamma) sans masse de repos et des 3 particules W+, W- et Z°. L'interaction forte est véhiculée par 8 gluons g sans masse (en gris clair). A côté de ces deux vecteurs, la théorie prédit l'existence d'une particule très lourde, le boson de Higgs H° dont la découverte faite en 2012 fut confirmée en 2013. Le champ de cette particule est capable de générer les particules massives. Au centre, l'article historique et révolutionnaire de Steven Weinberg intitulé modestement "Un Modèle des Leptons" (A Model of Leptons), c'est-à-dire la théorie électrofaible publiée dans les "Physical Review Letters" en 1967. A droite, l'équation centrale de la théorie quantique appelée le Lagrangien du modèle Standard. Elle n'a toutefois pas encore été couplée à la relativité générale, raison pour laquelle elle ne peut pas définir la gravitation. Documents Nobel, Physical Review Letters et Shutterstock/R.T. Wohlstadter adapté par l'auteur.

Bien que dépourvu de charge, le neutron est sensible à la force électromagnétique. Il dispose en effet d’un moment magnétique, sorte de petit aimant giratoire. L'électromagnétisme est donc responsable de la structure et de l'état de la matière. La gravité s'y superpose à grande échelle pour structurer l'univers.

Notons que le vecteur de l'interaction électromagnétique est le photon, un boson (voir page suivante).

L'interaction gravitationnelle

La deuxième interaction fondamentale est la gravité. Pour le dire vite, sans la gravité l'Univers n'existerait pas ! En effet, la plupart des corps sont neutres, les charges négatives des atomes ou des molécules équilibrant les charges positives. N'ayant aucun corps électriquement chargé sur lequel le champ électromagnétique pourrait exercer son influence, l'Univers serait resté à l'état de désordre, ses composants épars.

La particularité de la gravité est de toujours avoir un effet attractif. C'est la gravité qui donna forme à l'Univers en unifiant ce qui était désuni, construisant les systèmes binaires et multiples. L'interaction gravitationnelle est tellement faible qu'on ne la ressent pas, pourtant c’est elle qui nous maintient au sol. Nous marchons, les voitures passent à côté de nous sans nous influencer. Nous passons à côté d'un building sans ressentir sa présence, pourtant il pèse quelques milliers de tonnes. L'attraction mutuelle de tous les corps est toutefois mesurable comme l'a démontré l'expérience de Cavendish au XIX^e siècle, reprise avec la balance de torsion d'Eötvös en 1909 puis par Dicke.

Débarquez sur la comète de Halley. Si vous effectuez un cent mètre, la force d’attraction est si faible que vous risquez de franchir la vitesse de libération. L'interaction gravitationnelle est une force très faible : elle est 4.17 x 10⁴² fois plus faible que la force électromagnétique. A la distance de Fermi[11] et malgré l'extrême petitesse de la masse de l'électron (10^-27 g) la gravité est vaincue par la force électromagnétique. C'est la même force qui forme la queue ionique de la comète de Halley. Pour agir efficacement la gravité doit compter sur l'effet de groupe, sur le nombre des individus et leur masse. Inversement, dans l’espace il faut qu’un objet massif fasse plus de quelsuie 400 km de diamètre pour que les forces cumulées de la gravitation lui donne une forme sphérique, seule structure capable de supporter sa masse. En deçà, la force électromagnétique domine et c’est la raison pour laquelle les petits astéroïdes ont une forme irrégulière dite “patatoïde”.

Les diagrammes de Feynman
A. Les diagrammes inventés par Richard Feynman permettent de représenter les interactions nucléaires subatomiques. Ils peuvent symboliser (1) la transformation d'un proton en neutron avec échange d'un méson π positif, (2) la diffusion d'un électron par un proton avec échange d'un photon γ, (3) l'émission d'un photon avec création d'une paire virtuelle d'électron-positron qui sera réabsorbée puis transmise à un électron, (4) l'échange d'un boson Z entre un proton et un neutrino électronique dans une interaction faible (un courant neutre).

Les lignes obliques symbolisent les propagateurs des particules, les points de jonction où les événements se produisent sont des vertex d'intersection, les lignes pointillées représentent l'échange d'un boson, un cercle fermé ou une ligne ondulée symbolise une transition virtuelle. Il faut au moins une particule virtuelle pour qu'il y ait une interaction. Une lecture d'un diagramme de Feynman vers la droite évolue dans le temps tandis qu'une lecture de bas en haut évolue dans l'espace.
B. Dans un diagramme de Feynman, la désintégration β (la transformation d'un neutron en proton) se représente sans référence aux quarks. Dans la symbolique moderne, toutes les particules en interactions sont mentionnées, laissant apparaître dans ce cas-ci la transformation d'un quark d en quark u. Leur combinaison formera un proton.


Diagramme de Feynman	Diagramme moderne

L'interaction forte

Si les charges s'attirent ou se repoussent sans qu'intervienne la gravité, une autre force beaucoup plus puissance que la force électromagnétique maintient les protons dans le noyau malgré leurs charges identiques. C'est l'interaction dite forte dont l'influence ne porte que dans un rayon de 1 Fermi. Son influence devient insignifiante à l'échelle de l'atome (10^-8 cm). Cette interaction est plusieurs millions de fois plus forte que l'interaction électromagnétique mais heureusement, sa portée s'étend sur une distance cent mille fois plus faible (1 Fermi contre quelques angströms) car il est nécessaire de laisser l’interaction électromagnétique agir sur de plus grandes distances afin que la matière puisse se constituer en atomes et molécules.

Cette troisième interaction est tout aussi sélective. Elle n'opère que dans l'espace du noyau, maintenant protons et neutrons ensembles afin d’éviter l’éclatement du noyau. Elle agit également entre les quarks mais ignore toutes les autres particules plus légères. Sa constante de couplage α = ~1 ce qui signifie que son influence modifie les grandeurs physiques d’une valeur comparable à ce qu’elle serait en son absence ! C’est le domaine de la théorie des interactions fortes et de la chromodynamique quantique, par allusion à la charge de couleur des quarks.

Une manière de comprendre la puissance de l'interaction forte dans le monde de tous les jours est de se rappeler l'explosion d'une bombe à hydrogène; le simple réarrangement des noyaux d'hydrogène libère une énergie considérable qui déclenche une gigantesque explosion.

Les constantes de couplage

Une constante de couplage est synonyme de l’intensité d’une interaction. Elle nous donne une indication de l’influence d’une interaction sur, par exemple, la masse d’une particule.

Ainsi la différence relative de masse des mésons π⁺ et π° vaut :

A un facteur 4 près, cette valeur est comparable à la constante de couplage de l’interaction électromagnétique, α_e. En d’autres termes, en l’absence de l’interaction électromagnétique, le pion chargé serait moins massif dans un rapport égal à sa constante de couplage. Bien que d’intensité très différentes à température ordinaire, ainsi que nous le verrons les différentes constantes de couplage s’unissent probablement à hautes énergies (10¹⁹ GeV ?).

L'interaction faible

Enfin, l'interaction faible s'échange sur moins de 10^-15 cm (10^-3 Fermi), une distance tellement faible qu’à son contact les particules ne la ressente presque pas. Elle dispose de trois messagers, les bosons W⁺, W^- et Z°, des particules extrêmement lourdes dont la durée de vie est très courte. Sa constante de couplage est dix mille fois plus faible que celle de l’interaction électromagnétique, d’où son nom. Son but est en quelque sorte de désintégrer la matière en provoquant des réactions secondaires de décomposition. C’est elle qui crée la radioactivité. Elle touche toutes les particules chargées, à l’exception des plus légères, telles le quark up et l’électron. Elle se désintéresse également du photon et des gluons. L’interaction faible apparaît également lors de certaines collisions en chaînes, en particulier dans les réactions nucléaires de fusion au sein des étoiles.

L’interaction faible relie également les quarks en doublets et les pions en triplets d’isospin pour des raisons de symétrie que nous allons découvrir. Cette interaction permet par exemple de transformer un quark up en quark down ou un électron en neutrino électronique ν_e. Cela donne toute la saveur des courants faibles. Nous verrons dans un autre article que l’interaction faible ne conserve pas la parité, c’est-à-dire la symétrie par réflexion dans un miroir et privilégie la matière au détriment de l’antimatière. Elle viole en fait la congugaison de charge.

Enfin, l'interaction faible intervient également lors de la fusion des paires de protons en deutérons dans le coeur des étoiles et est responsable de l'abondance de l'eau dans l'Univers. Bref, l'interaction faible est indissociable de la vie. Mais nous verrons à propos du principe anthropique qu'en réduisant le rapport primordial matière/énergie d'un facteur 100, l'interaction faible ne serait plus indispensable tout en permettant la création de l'Univers tel que nous le connaissons.

L'interaction forte des gluons

Ci-dessus collision de deux protons avec production de deux jets de hadrons. Ce sont en fait les quarks qui interagissent par l'intermédiaire des gluons.

Après l'annihilation d'une paire d'électron-positron et production d'un photon (non dessiné), un méson ψ (c-anti c) est produit. Il se désintègre ensuite en trois mésons π par échange de gluons.

Rappelons que le modèle Standard des particules impose des contraintes strictes sur la masse du boson W. Nous verrons à propos des découvertes récentes qu'il n'y a toujours pas de convergence sur la masse du boson W, la masse mesurée par les différentes expériences étant significativement plus élevée que ce que prédit le modèle Standard. On sait que la masse du boson W est d'environ 80 fois supérieure à celle du proton soit de l'ordre de 80.4 GeV/c², certaines mesures sont même précises à 0.01%, mais toutes les expériences donnent des résultats différents (cf. ce graphique de la collaboration CDF) !

Les physiciens interprètent ces différences entre les valeurs expérimentales et la valeur attendue à l'existence d'une nouvelle particule ou d'une nouvelle interaction fondamentale. Les physiciens sont convaincus que les prochaines expériences devraient permettre d'élucider ce mystère. On y reviendra.

Après avoir décrit chacune de ces interactions séparément, il nous vient naturellement une question dans la perspective d'une théorie unifiée : est-il possible de réunir ces différentes interactions dans une seule force ? Les théories de symétrie (GUT) nous apportent des éléments de solutions mais la gravitation est toujours écartée de ces modèles. Pour tenter de l'unir aux autres forces, les physiciens ont dû imaginer un cadre encore plus général, la supersymétrie et la gravité quantique. Ce sujet méritant un développant particulier, il a été traité séparément dans plusieurs articles dont la théorie des supercordes et la gravité quantique à boucles. Attendez-vous à découvrir tout un autre Univers !

On reviendra dans un autre article sur l'éventuelle existence d'une cinquième interaction fondamentale.

Voyons pour terminer quelles sont les particules qui transportent les quatre interactions fondamentales et quelques autres bosons très particuliers.

Prochain chapitre

Les bosons

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[11] Les physiciens font souvent usage de cette nouvelle unité de longueur adaptée à l'échelle du nucléon, 1 Fermi = 10^-13 cm.

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