Forces fondamentales

Interaction élémentaire

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Quatre interactions élémentaires sont responsables de tous les phénomènes physiques observés dans l'univers, chacune se manifestant par une force dite force fondamentale. Ce sont l'interaction nucléaire forte, l'interaction électromagnétique, l'interaction nucléaire faible et la gravitation.

En physique classique, les lois de la gravitation et de l'électromagnétisme étaient considérées comme axiomes. Cependant en théorie quantique des champs, ces forces sont décrites par l'échange de bosons virtuels : le modèle standard décrit les interactions fortes, faibles et électromagnétiques, mais une théorie quantique des champs n'a pas encore pu être élaborée pour la gravitation.

Les puissances de ces forces fondamentales sont normalement très différentes (voir plus bas), mais si l'énergie cinétique des particules augmente, les puissances se rapprochent. On pense que les quatre forces avaient la même puissance aux énergies extrêmement élevées qui étaient en jeu juste après le Big Bang.

Interaction forte

L'interaction nucléaire forte a les propriétés suivantes :

• elle est responsable de la cohésion de tous les hadrons (baryons et mésons), c'est-à-dire toutes les particules composées de quarks; elle est responsable, indirectement, de la cohésion des noyaux atomiques ;
• rayon d'action seulement 2,5·10⁻¹⁵ m (0,000 000 000 000 0025 m), car la charge de couleur n'apparaît pas "nue" à des distances plus grandes (voir Confinement) ;
• la plus puissante de toutes les interactions connues ;
• transportée par les gluons.

Interaction électromagnétique

L'interaction électromagnétique a les caractéristiques suivantes :

• responsable de la plupart des phénomènes quotidiens : lumière, électricité et magnétisme, chimie, ... Par exemple, elle retient les décorations sur les parois verticales de votre réfrigérateur ;
• en principe, rayon d'action illimité. Mais en pratique, les charges positives et négatives tendent à se neutraliser;
• peut être attractive ou répulsive selon le signe des charges électriques; cela vaut aussi pour les pôles dit Nord et Sud d'un aimant ;
• cent fois moins forte que l'interaction forte ;
• transportée par le photon.

Interaction faible

L'interaction nucléaire faible a les caractéristiques suivantes :

• responsable d'un des types de radioactivité, la radioactivité bêta, elle joue aussi un rôle important dans la fusion nucléaire (comme par exemple au centre du soleil) ;
• rayon d'action très court, 10⁻¹⁸ m ;
• 10¹³ fois moins puissante que la force nucléaire forte ;
• transportée par les bosons lourds : Z⁰, W⁺ et W⁻.

Gravitation

La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction réciproque des corps massifs entre eux, sous l'effet de leur masse. Il s'observe au quotidien en raison de l'attraction terrestre qui nous retient au sol. La gravité est responsable de plusieurs manifestations naturelles : les marées, l'orbite des planètes autour du Soleil, la sphéricité de la plupart des corps célestes en sont quelques exemples. D'une manière plus générale, la structure à grande échelle de l'univers est déterminée par la gravitation.

La gravitation a les propriétés suivantes :

• elle est dominante pour les grandes structures de l'univers car elle est toujours attractive et ne peut pas être neutralisée comme les forces électromagnétiques ;
• rayon d'action illimité ;
• la plus faible de toutes les interactions, 10³⁸ fois plus faible que l'interaction nucléaire forte ;
• transportée par une particule encore hypothétique, le graviton.

Résumé tabulaire

Interaction	Théorie courante	Médiateurs	Masse (GeV/c2)	Puissance relative approximative	Rayon d'action (m)	Dépendance de distance
Forte	Chromodynamique quantique (QCD)	8 gluons	0	1	2,5·10−15	$\frac{1}{r^7}$
Électromagnétique	Électrodynamique quantique (QED)	photon	0	10-2	∞	$\frac{1}{r^2}$
Faible	Théorie électrofaible	W+, W-, Z0	80, 80, 91	10-13	10−18	$\frac{1}{r^5}$ à $\frac{1}{r^7}$
Gravitation	Relativité générale	graviton (postulé)	0	10-38	∞	$\frac{1}{r^2}$

Brève histoire de l'unification des interactions élémentaires

Au cours du XX^e siècle, la théorie électrofaible a tout d'abord été développée pour unifier l'électromagnétisme avec l'interaction faible. Puis l'interaction forte a pu être unifiée avec les deux premières donnant alors le modèle standard de la physique dont les prédictions ont été vérifiées avec une très grande précision dans les accélérateurs de particules. Néanmoins, même si ces interactions sont décrites dans un cadre commun, les intensités des trois forces, appelées aussi constantes de couplage, ne sont pas les mêmes. Cependant, ces constantes ne sont constantes que dans un sens approximatif. Leur valeur change selon la gamme d'énergies concernées. Le fait que la constante de couplage de l'interaction faible varie bien plus vite que celle de l'électromagnétisme a rendu leur unification relativement facile, ainsi que la vérification expérimentale de cette unification. La gamme d'énergies à laquelle elles se rencontrent est encore accessible aux expériences sur accélérateurs.
Le but des théories de grande unification est de fournir, d'une part, une description unifiée des trois forces dans laquelle elles partageraient une même constante de couplage (description qui serait valide à des échelles d'énergie très grandes de l'ordre de 10¹⁵ GeV), et, d'autre part, un mécanisme par lequel cette symétrie entre les trois forces est brisée aux échelles d'énergies que nous observons actuellement.

Enfin, toutes ces descriptions ne font pas mention de la gravitation dont l'influence reste négligeable tant que les énergies mises en jeu sont faibles devant l'échelle de Planck, de l'ordre de 10¹⁸ GeV, mais dont la constante de couplage effective à cette énergie rejoint celle des autres interactions. Comme la théorie du Big Bang nous informe que l'univers a connu dans ses tous premiers instants une phase très chaude et très dense, appelée l'ère de Planck, il est admis qu'une description correcte de cet univers primordial nécessite d'avoir à sa disposition une théorie quantique de la gravitation. Plusieurs théories candidates sont en cours d'élaboration pour fournir cette gravité quantique. Il s'agit d'une part de la théorie des cordes qui se donne également pour objectif de décrire les autres interactions à ces échelles (on parle de théorie du tout) et de la gravitation quantique à boucles qui est moins ambitieuse et vise seulement à décrire quantiquement la gravité sans inclure les autres interactions.

Articles connexes

• Frise chronologique de la physique microscopique
• Physique des particules
• Théorie de jauge

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