Interactions fondamentales

Le modèle standard

Avant de nous pencher sur les forces fondamentales, examinons brièvement les particules fondamentales de l'Univers décrites par le modèle standard de la physique des particules. En effet, cela est essentiel pour comprendre les trois premières forces de notre liste (à l'exception de la gravité).

Fig. 1 - Tableau énumérant les 17 particules fondamentales du modèle standard, ainsi que l'hypothétique graviton associé à la gravitation. Parmi ces particules élémentaires, les fermions sont des particules de matière, tandis que les bosons sont responsables de la médiation des interactions entre fermions.

Les 4 interactions fondamentales

Dans le monde naturel, il existe quatre forces fondamentales, plus précisément appelées interactions fondamentales, responsables de toutes les interactions connues entre les particules élémentaires de l'Univers.

Les particules élémentaires sont des particules de la nature qui ne sont pas composées d'autres particules plus petites. Il existe un total de 17 particules élémentaires connues.

Les quatre forces sont :

• L'électromagnétisme
• La gravité
• L'interaction forte
• L'interaction faible

Vous connaissez probablement déjà la gravité et l'électromagnétisme. Ce sont les deux forces qui agissent sur des distances suffisamment grandes pour que nous puissions les observer dans notre vie quotidienne. En revanche, les interactions forte et faible agissent sur des distances si courtes que leurs effets ne sont pertinents qu'à l'échelle des protons et des neutrons composant le noyau des atomes, et de leurs particules constitutives, les quarks. Examinons de plus près chaque force et son rôle dans la nature.

Force électromagnétique

Fig. 2 - L'électromagnétisme est la force fondamentale responsable de certains des phénomènes les plus spectaculaires sur Terre, comme la foudre.

L'électromagnétisme est la force qui régit le comportement et les interactions des particules chargées. Tous les phénomènes électriques et magnétiques auxquels tu es peut-être habitué, comme l'attraction ou la répulsion entre deux aimants, ou le flux de courant dû à une différence de potentiel, sont régis par la force électromagnétique. L'électromagnétisme est également la force essentielle à presque tous les aspects de la chimie. C'est l'électromagnétisme qui engendre l'attraction entre les noyaux atomiques et les électrons. Cette attraction est responsable des réactions chimiques et de la structure du tableau périodique. Elle est également responsable de toutes les radiations électromagnétiques, telles que les ondes radio et les rayons X, ainsi que la lumière visible. Nous pouvons dire que ce n'est qu'en exploitant la puissance de l'électromagnétisme que toute la technologie que nous voyons aujourd'hui fut possible.

La force électromagnétique est véhiculée par les champs électromagnétiques, qui sont composés de champs électriques et magnétiques mutuellement orthogonaux. C'est l'une des seules forces que nous rencontrons dans notre vie quotidienne, l'autre étant la gravitation. Cela est dû au fait que sa portée est en fait infinie, bien que l'intensité du champ diminue selon l'inverse du carré de la distance. Si bien qu'elle a été l'une des premières forces à être décrite par une théorie fondamentale. La théorie de l'électromagnétique classique fut établie à la fin du 19ᵉ siècle grâce aux travaux de physiciens tels que James Clerk Maxwell, Michael Faraday et Hendrik Lorentz.

Fig.3- Les équations de Maxwell donnent une compréhension mathématique complète de la relation entre les champs électriques \(\vec{E}\) et magnétiques \(\vec{B}\), et le mouvement des charges.

Interaction nucléaire forte

L'interaction forte est responsable de la liaison des quarks à l'intérieur des protons et des neutrons (appelés collectivement nucléons), ainsi que du maintien des nucléons eux-mêmes à l'intérieur d'un noyau. Sans surprise, il s'agit de la force la plus puissante de toutes les forces fondamentales, environ 137 fois plus puissante que l'électromagnétisme, la seconde force la plus puissante. L'interaction forte peut en fait être comprise comme deux forces distinctes, la force de couleur et l'interaction forte résiduelle.

À des distances inférieures au rayon d'un nucléon (environ \(0,\!8\) femtomètre ou \(0,\!8 .10^{-15}m\)), la force de couleur lie les quarks par groupes de trois pour former les nucléons. La quantité d'énergie nécessaire pour séparer deux quarks ou plus est si importante que, à une certaine distance de séparation, il devient énergétiquement favorable de produire une nouvelle paire de quarks.

Ainsi, en essayant de séparer deux quarks, deux nouveaux quarks seraient produits ! C'est pourquoi il est impossible de voir des quarks individuels dans la nature. Cette incroyable propriété de l'interaction forte est connue sous le nom de confinement des couleurs.

Au-delà du rayon d'un nucléon, la force de couleur devient beaucoup plus faible et devient une force essentiellement différente connue sous le nom d'interaction forte résiduelle. Cette force résiduelle est responsable de la liaison des protons et des neutrons au sein d'un noyau. La force résiduelle diminue rapidement avec la distance, ce qui explique pourquoi nous ne remarquons pas l'interaction forte dans notre vie ou même à l'échelle atomique.

À des distances plus courtes, l'interaction forte résiduelle est encore beaucoup plus forte que la force électromagnétique, si ce n'était pas le cas, tous les noyaux se sépareraient à cause de la répulsion électrostatique entre les protons. Toutefois, pour des noyaux suffisamment grands (environ 82 nucléons), la répulsion électrostatique commence à l'emporter sur la force forte résiduelle, ce qui conduit à des noyaux instables susceptibles de subir une désintégration radioactive.

Interaction faible

L'interaction faible agit sur toutes les particules élémentaires de matière dans la nature, appelées fermions, et est responsable de la désintégration radioactive \(\beta\) des noyaux instables ainsi que de la fission et de la fusion nucléaires. Elle est médiée par les bosons W et Z. Dans la désintégration \(\beta\), un proton peut se transformer en un neutron (désintégration \(\beta^-\)) ou vice-versa (désintégration \(\beta^+\)), en transmettant respectivement un positron (anti-électron) ou un électron. Dans une telle désintégration, l'interaction faible agit en changeant le type ou la "saveur" d'un quark à l'intérieur du noyau, modifiant ainsi le nucléon. Cette capacité à modifier la "saveur" des particules élémentaires est totalement propre à l'interaction faible.

L'interaction faible est plus faible que toutes les autres forces autres que la gravité et elle diminue rapidement avec la distance. En raison de la masse (relativement) importante des bosons W et Z, les interactions telles que la désintégration des particules, régie par l'interaction faible, sont les plus lentes de toutes les forces. La désintégration d'un seul neutron libre sous l'effet de l'interaction faible peut durer jusqu'à \(15\hspace{3px}mins\), ce qui est incroyable dans le monde de la physique des particules !

Fig.4 - Schéma de la désintégration \(\beta^-\), où un neutron se transforme en proton et émet un électron et un anti-neutrino. Une telle interaction est médiée par l'interaction faible.

Interaction gravitationnelle

Enfin, et surtout, nous avons la gravitation. La gravité affecte toutes les particules qui ont une masse, en les attirant les unes vers les autres. Contrairement à l'électromagnétisme, la gravité est toujours une force d'attraction entre deux objets massifs. L'intensité de cette force est donnée classiquement par la loi de la gravitation de Newton, qui montre que la force est proportionnelle au produit des masses et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. \[F=G\frac{m_1m_2}{d^2}\]

Étant inversement proportionnelle au carré de la distance, la gravité diminue rapidement sur de grandes distances. En fait, la gravité est beaucoup plus faible que toutes les autres forces fondamentales, bien que cela semble étrange étant donné qu'elle est responsable de la création des étoiles et des galaxies. Cependant, pense au fait que tu peux t'asseoir sur une chaise sans tomber sur le sol. Il est clair que la gravité doit être beaucoup plus faible que les forces électromagnétiques qui repoussent les atomes de ton corps et ceux de la chaise. La force de gravité est plusieurs fois plus faible que la force électromagnétique, c'est pourquoi nous ne voyons des effets gravitationnels qu'à l'échelle astronomique. On peut s'en apercevoir en comparant la constante gravitationnelle (\(G=6,\!67.10^{-11} \frac{N.m^2}{Kg^2}\)) à la constante de Coulomb (\(K=9.10^9 \frac{Kg.m^3}{s^4.A^2}\)).

La gravité constitue une véritable anomalie par rapport aux trois autres forces que nous avons mentionnées. Contrairement aux forces précédentes, la force de gravitation n'est pas expliquée par la théorie quantique des champs et le modèle standard de la physique des particules, mais plutôt par la relativité générale d'Einstein. Dans la relativité générale, la gravité n'est pas vraiment une force, mais ses effets sont causés par la courbure de l'espace-temps. Les objets massifs provoquent des courbures dans l'espace-temps qui les entoure. Ainsi, au lieu de produire une force d'attraction qui rapproche les objets massifs, c'est la forme de l'espace-temps qui fait tomber les objets massifs les uns vers les autres. Si la théorie de la gravité de Newton est suffisamment précise pour la plupart des calculs, la relativité générale est la théorie de la gravitation la plus précise à ce jour et nombre de ses prédictions, telles que l'existence de lentilles gravitationnelles, ont depuis été découvertes expérimentalement. De nombreuses tentatives ont été faites pour trouver une théorie quantique de la gravitation, avec un hypothétique boson de jauge connu sous le nom de graviton, mais aucune n'a abouti jusqu'à présent.

Fig.5- La relativité générale prédit que la lumière peut se courber autour d'objets massifs tels que les étoiles pour former des "anneaux d'Einstein", ces anneaux ont été vus par le télescope Hubble comme illustré ci-dessus.

Tableau comparatif des interactions fondamentales de la nature

Maintenant que tu connais les interactions fondamentales de la nature, il est essentiel de te souvenir que le plus grand défi des physiciens est de pouvoir trouver une théorie qui est susceptible d'unir et réconcilier la théorie quantique (qui explique les 3 forces fondamentales autres que la gravité), et la théorie de la relativité générale d'Einstein (qui explique la gravitation). C'est là que réside le rêve inachevé d'Einstein qui tentait de trouver la fameuse 'Équation de Dieu' qui établirait un lien entre les quatre forces fondamentales de la nature.

Prends ton temps de penser à ce défi. Qui sait ? Tu pourrais être celui qui réalisera ce rêve un jour !