Les
bosons : porteurs de forces
Tous les
phénomènes physiques observables dans la nature peuvent s’expliquer en faisant
appel à quatre forces fondamentales : la force de gravitation, la force
électromagnétique, la force nucléaire forte et la force nucléaire faible. Mais
qu’est-ce qu’une force ?
Les forces comme
échanges de bosons
Une réponse
moderne à cette question a été apportée à la fin des années 1940 avec une
théorie appelée l’électrodynamique quantique (QED) qui réussit à clarifier le
concept de force électromagnétique en s’appuyant sur les acquis de la mécanique
quantique. Dans cette théorie, l’interaction électromagnétique n’était plus
décrite comme le résultat d’un mystérieux champ, mais comme le résultat d’un
échange de photons entre particules.
Ce succès ouvrit
également la voie à une meilleure compréhension de la force nucléaire faible,
une interaction moins connue mais néanmoins fondamentale et dont le principal
effet est la radioactivité béta et la transformation de protons en neutrons et
vice versa.
A la fin des
années 1960, les physiciens Abdus Salam, Sheldon Glashow et Steven Weinberg
montrèrent que, comme l’interaction électromagnétique, la force nucléaire
faible pouvait s’interpréter comme un échange de particules. Il ne s’agissait
pas dans ce cas d’un photon, mais de trois différents porteurs appelés les
bosons vecteurs intermédiaires W+, W- et Z0.
Ces trois types
de particules, d’abord nés dans l’imagination des physiciens théoriques, furent
détectés en 1983 dans le Super Synchrotron à Protons, un accélérateur de
particules du CERN, ce qui prouvait de façon éclatante la justesse de cette
nouvelle vision des forces.
Deux forces
unifiées : la force électrofaible
La
réinterprétation du concept de force allait encore plus loin. Elle affirmait
que les forces électromagnétique et nucléaire faible pouvaient être unifiées en
une interaction unique appelée la force électrofaible. Bien qu’apparemment très
différentes, les deux interactions devaient posséder une nature profonde
identique qui ne pouvait se révéler que dans des conditions extrêmes.
La théorie montre
que si les particules en interaction ont une
énergie énorme correspondant à une température d’un million de milliards de
degrés, les deux interactions sont indiscernables et les trois bosons vecteurs
intermédiaires se comportent exactement comme des photons. Par contre, dans des
conditions ordinaires, les deux interactions se différencient et les quatre
types de porteurs retrouvent des propriétés distinctes, par exemple leur masse.
La
chromodynamique quantique
Parallèlement au
développement de la théorie électrofaible, d’énormes progrès furent accomplis
dans la compréhension de l’interaction forte. Vu le succès de
l’électrodynamique quantique, les physiciens utilisèrent les mêmes principes de
base pour décrire la force nucléaire forte, la force qui assure la cohésion des
noyaux atomiques et de leurs constituants, les quarks.
Dans la nouvelle
théorie, la chromodynamique quantique, l’interaction forte entre quarks s’explique également comme un
échange de particules : les gluons, dont il existe huit types différents. La
force ainsi créée a une portée très faible, mais elle est très puissante, ce
qui explique que les quarks ne se trouvent jamais à l’état isolé, mais
préfèrent se regrouper pour former un hadron.
Les particules
élémentaires et les vecteurs de force (à droite) aussi appelées bosons de jauge
dans le modèle standard de la physique des particules. Crédit : Wikimedia
Commons
Puisque les
forces électromagnétique et nucléaire faible peuvent être unifiées en une
interaction unique, serait-il aussi possible de les unifier avec la force nucléaire forte ?
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