Physique
Physique des particules
Interactions fondamentales

L'interaction nucléaire forte
L'interaction gravitationnelle
L'interaction électromagnétique
L'interaction nucléaire faible

1. L'interaction nucléaire forte

L'interaction forte est, comme l'interaction faible, une force qui agit à l'intérieur des noyaux atomiques. Elle agit sur les quarks et par extension sur les hadrons. Les leptons y sont totalement insensibles.

L'interaction forte permet la cohésion des noyaux atomiques en liant les protons et les neutrons entre eux au sein de ce noyau.

Si cette interaction n'existait pas, les noyaux ne pourraient pas être stables et seraient dissociés sous l'effet de la répulsion électrostatique des protons entre eux.

2. l'interaction gravitationnelle

L'interaction gravitationnelle est une force attractive qui agit sur toute forme de masse ou d'énergie, mais avec une intensité extrèmement faible .

L'interaction gravitationnelle est l'interaction la plus faible des quatre interactions fondamentales.

Les effets de l'interaction gravitationnelle ne sont perceptibles que lorsque des objets sont très massifs.

L'énorme masse des étoiles, des planètes ou des galaxies les rend donc très sensibles à la gravitation et c'est la seule interaction en jeu pour expliquer les mouvements de ces objets.

l'énorme masse de la Terre, qui est de 6 x 10²⁴ kg, la rend très attractive pour des objets moins massifs. Ainsi, la pesanteur et donc le poids des objets sur Terre sont le résultat de l'attraction gravitationnelle de la Terre sur ces objets. Le poids d'un objet est plus faible sur la Lune que sur Terre, puisque la masse de la Lune est plus faible que celle de la Terre.

Enfin, c'est l'attraction gravitationnelle de la Lune sur l'eau des océans qui permet d'expliquer le phénomène des marées.

Isaac Newton fut le premier à avoir compris que la pesanteur terrestre et les mouvements astronomiques étaient le résultat d'une seule et même interaction. Il publia en 1687 un livre dans lequel il a établi les lois de la gravitation.

Il fallut ensuite attendre 1915 pour que Albert Einstein développe la théorie de la relativité générale, qui permet d'expliquer la gravitation par une théorie géométrique.

La gravitation n'est pas du tout prise en compte par la physique des particules, mais son intensité est totalement négligeable à l'échelle des particules élémentaires.

3. L'interaction électromagnétique

L'interaction électromagnétique est une force répulsive ou attractive qui agit sur les objets ayant une charge électrique. Deux objets de charges électriques de même signes se repoussent alors que deux objets de charges électriques de signes opposés s'attirent. Comme les atomes sont électriquement neutres, il y a peu d'effet de cette interaction à grande échelle.

L'interaction électromagnétique est à l'origine de tous les phénomènes électriques et magnétiques. Elle permet aussi la cohésion des atomes en liant les électrons (charge électrique négative) et le noyau des atomes (charge électrique positive). Cette même liaison permet de combiner les atomes en molécules et l'interaction électromagnétique est donc responsable des réactions chimiques.

Cette interaction peut, dans certaines conditions, créer des ondes électromagnétiques, parmi lesquelles on distingue la lumière, les ondes radio, les ondes radar, les rayons X...

4. L'interaction nucléaire faible

L'interaction faible, tout comme l'interaction forte, agit à l'intérieur des noyaux atomiques . Ses effets sont de très faible intensité.


Les désintégrations β⁺ et β^- sont déclenchées par une nouvelle force nucléaire faible, mais la théorie de Fermi, élaborée en 1934, ne permet pas d'expliquer l'origine de ces phénomènes.

Bien plus tard, en 1958, les neutrinos sont détectés, ce qui confirma à la fois la théorie de Fermi et l'hypothèse de Pauli.

En 1967,des physiciens élaborèrent la théorie électrofaible, permettant d'expliquer à la fois l'interaction électromagnétique et l'interaction faible à l'aide d'échange de particules vecteurs.
Cette théorie explique l'interaction faible en tenir compte de l'électromagnétisme.

Dans cette théorie, la radioactivité bêta est expliquée par la désintégration d'un quark d'un proton ou d'un neutron en un autre quark et d'un particule vecteur de l'interaction faible W .

Ensuite le W se désintègre en un électron et un neutrino. Le W est une particule électriquement chargée.

Cette nouvelle théorie d'électrofaible contenait aussi une nouvelle forme d'interaction faible non observée jusqu'alors, par échange d'une autre particule vecteur : le Z, particule électriquement neutre.

La première forme fut donc appelée interaction faible par courant chargé et la seconde interaction faible par courant neutre.

Les vecteurs de l'interaction faible, les W^± et le Z^o, furent observés au CERN, en 1983.

Caractéristiques des particules vecteurs de
l'interaction faible W^± et Z^o,

L'interaction faible est l'interaction fondamentale qui a l'intensité la plus faible, en dehors de la gravitation. Elle s'applique à toutes les particules de matière : les quarks, électrons, neutrinos, etc... En particulier, les neutrinos.

Le neutrino, particule prédite par Pauli, électriquement neutre et qui n'est pas un quark , n'est sensible qu'aux interactions faible et gravitationnelle; interactions fondamentales les moins intenses.

Les neutrinos interagissent très faiblement avec la matière et sont donc très difficilement détectables.

Les particules vecteurs de l'interaction faible par courant chargé sont les W+ et W-. Ils ont une charge électrique égale en valeur absolue à la charge de l'électron, l'un est positif l'autre négatif. Ils peuvent donc interagir avec des photons comme toute particule électriquement chargée. Leur masse est environ 86 fois celle d'un proton.

La particule vecteur de l'interaction faible par courant neutre est le Z0 de charge électrique nulle. Sa masse est environ 97 fois celle d'un proton.

Les particules vecteurs de l'interaction faible, les W et le Z, ont des masses non-nulles, et même grandes. Ainsi l'interaction faible est une interaction à courte portée, ce qui explique le confinement de ses effets à l'intérieur des protons et des neutrons.

De plus, toujours à cause de leur masse élevée, les W et Z sont instables et ont des durées de vie très courtes, de l'ordre de 10^{- 25} s. On ne peut pas observer un W ou un Z directement avant qu'il se désintègre. On l'observe indirectement compte tenu des particules qui restent après sa désintégration.