Les interactions entre les particules élémentaires, semblent
être classées en quatre catégories qui sont :
- L’interaction électromagnétique
qui dirige la quasi-totalité des phénomènes de
la vie.
- L’interaction de gravitation qui nous maintient les pieds sur
terre.
- L’interaction forte qui maintient les protons et les neutrons
liés dans les noyaux atomiques.
- L’interaction faible qui est responsable de la première
étape dans la chaîne de réactions thermonucléaires
du soleil.
Chacune de ces interactions fondamentales (ou champs)
entre les particules a des caractéristiques très particulières.
Mais ces dernières décennies ont amené la croyance
que toutes ces interactions pourraient en fait être diverses facettes
d’une seule interaction universelle ; qui serait manifestée
à de très hautes énergies alors qu’aux faibles
énergies , celles de la vie courante, ces interactions se présentent
sous quatre formes différentes.
Les physiciens tentent d’unifier ces interactions de la nature
pour arriver à comprendre le plus grand nombre de phénomènes
avec le plus petit nombre de lois ou principes fondamentaux possibles.
Ainsi en 1865, le physicien Maxwell réalisa la première
unification de deux phénomènes en apparence distincts
; les interactions électrostatiques et les interactions magnétiques
à travers ses quatre équations.
Au XX siècle, et précisément dans les années
soixante-dix, après le développement de divers outils
mathématiques tels que les théories de jauge (en particulier
Q E D), la renormalisabilité et les brisures de symétrie,
Steven Weinberg, abdu salam et Sheldon Glashow ont eu le génie
de présenter leur hypothèse unificatrice : “La force
élétromagnetique et la force faible ne seraient qu’une
et même force”.
Les deux interactions
fondamentales de l’électrofaible
L’interaction
électromagnétique :
Beaucoup de forces que nous subissons tous les jours
sont dus aux forces électromagnétiques dans la matière,
qui s’oppose à l’éloignement des atomes de
leur position d’équilibre. La charge électrique
(positive/négative) et le magnétisme (nord /sud) sont
différents aspects d’une même force : électromagnétique
dont la particule messagère est le photon.
L’interaction
faible :
L’interaction faible est responsable du fait
que les quarks les plus lourds se désintègrent pour produire
des quarks et des leptons plus légers : ‘’’Spontanément
un neutron dans un noyau atomique peut se désintégrer
en un proton, en un électron et un anti-neutrino, le proton reste
dans le noyau alors que l’électron et l’anti-neutrino
sont éjectés avec une grande énergie à l’extérieur
du noyau’’’. La somme des masses des particules produites
d’une désintégration est toujours inférieure
à la masse de la particule mère, C’est pourquoi
la matière stable autour de nous contient seulement des électrons
et les deux quarks les plus légers. Quand un quark ou un lepton
change de type (par exemple un muon se transforme en électron),
on dit qu’il a changé de saveur. Tous les changements de
saveur sont dus à l’interaction faible dont les particules
messagères sont les bosons W+, W- et Z°.Les bosons W ont
une charge électrique tandis que Z n’en a pas.
Unifications des deux
interactions
L'interaction faible se manifeste naturellement dans
deux phénomènes :
- La capture électronique.
- La désintégration bêta.
La désintégration bêta se manifeste par la transformation
spontanée d’un neutron en un proton, un électron
et une particule non chargée dite anti-neutrino :
| Neutron |
|
proton + |
électron + |
muon |
Tandis que la capture électronique consiste
en l’absorption par un proton, du noyau, d’un électron
du même atome :
| Proton |
+ électron |
 |
neutron + |
muon |
On remarque que deux familles de particules interviennent
:
- Les hadrons : protons et neutrons.
- Les leptons : électron et neutrino.
Les observations expérimentales ont montré que l’électron
et l’anti-neutrino ainsi que le proton et le neutron jouent un
rôle symétrique dans ces réactions .Il est possible
de les permuter sans modifier le phénomène :
| Proton |
+ muon |
|
neutron + |
électron |
Autrement dit, cette observation peut s’énoncer
comme suit : l’interaction faible est symétrique (invariante)
vis à vis des permutations entre anti- neutrino et électron
.Si on transforme globalement tous les électrons en anti-neutrinos
et inversement
L'interaction faible se comporte de la même manière .Cette
s’applique encore aux protons et aux neutrons qui jouent un rôle
dans les réactions faisant intervenir l’interaction faible.
Pour pouvoir interprété l’invariance de l’interaction
faible les physiciens ont du inventer une grandeur abstraite qui se
prêtait mieux à des manipulations mathématiques
que les noms des particules c’est : le spin isotopique ou encore
l’isospin faible noté : I
Pour l’électron et le neutrino ,les
valeurs de l’isospin sont respectivement +1/2 et –1/2 .La
symétrie globale évoquée peut alors s’énoncer
comme une invariance vis à vis de la valeur de l’isospin
Imposons à présent une symétrie locale d ’isospin,
c’est à dire l’invariance de l’interaction
faible pour des changements d’isospin pour une seule ou un nombre
limité de particule .Si cette symétrie existait effectivement
dans la nature, l’on pourrait observer des réaction comme
:
| Proton |
+ électron |
|
neutron + |
muon |
-
Or une telle réaction ne peut –être
observer car elle viole la loi de conservation de la charge électrique
puisque :
Q(n) + Q(e-) = - e , Q(p) + Q(e-) = 0
Notons au passage que cette remarque est importante
car elle montre que la symétrie locale de l’isospin n’est
pas rigoureusement exacte .Imposer une symétrie locale de l’isospin
pour l’interaction faible peut affecter les charges électriques,
qui elles, relèvent de l’interaction électromagnétique
.Il apparaît donc une connexion entre l’interaction faible
et l’interaction électromagnétique.
Imposons la symétrie locale d’isospin, même si
celle-ci donne des résultats physiques en apparence aberrants
.Que se passe-t-il ? On constate l’apparition de quatre champs
dans les équations; deux champs neutres un champ chargé
positivement et un dernier champ chargé négativement.
L’un de ces champs est constitué de quanta neutres, de
masse nulle et de spin égale à 1.ces propriétés
sont celles du photon dont le champ correspondant est le champ électromagnétique.
Les trois autres champs sont spécifiques à l’interaction
faible proprement dite. La symétrie locale d’isospin
a donc entraîné l’unification des interactions
électromagnétique et faible. Selon ce model, ces deux
interactions seraient la manifestation d’une seule et unique
interaction : l’interaction électrofaible.
Dans la première formulation, les trois champs spécifiques
à l’interaction faible n’ont des quanta de masse
également nulles, ce qui n’était pas en bon accord
avec les observations expérimentales. En effet, des quanta
de masses nulles impliquent une interaction de portée infinie,
or l’interaction faible est confinée à des distances
très courtes, ce qui nécessite l’intervention
de quanta de masses non nulles. Finalement, la description complète
de l’interaction unifiée électrofaible fait intervenir
quatre champs don quanta sont :
- Le photon de charge nulle, de spin 1 et de masse nulle.
- Le Z de charge nulle, de spin 1 et de masse de l’ordre de
90 Gev.
- Le W+de charge positive, de spin 1 et de masse de l’ordre
de 80 Gev.
- Le W- de charge positive de spin 1 et de même masse que W+.
Ce résultat peut-être obtenu de manière intuitive
à partir des constatations établies précédemment
:
1- L’invariance d’isospin peut affecter la charge électrique,
ce qui implique l’existence de quanta chargés (positifs
et négatifs) :c’est à dire W+ et W-.
2- La symétrie locale d’isospin, pour être exacte,
doit être compensée par l’interaction électromagnétique
(c’est en cela que les interactions faibles et électromagnétiques
sont unifiées) et donc impliquer l’intervention du champ
électromagnétique.
L’existence du Z° est moins triviale .En effet, les observations
tirées de la multitude d’expériences réalisées
ces dernières années ont indique l’existence d’un
médiateur neutre dans certaines interactions faibles que l’on
appelle communément un courant neutre .ce médiateur
est le Z°.
L'interaction électrofaible est le résultat de l’imposition
de la symétrie locale d’isospin dont le groupe de symétrie
est noté SU (2) ×U (1) avec SU (2) : le groupe d’isospin
qui décrit l’interaction faible et U (1) : le groupe
unitaire qui décrit l’interaction électromagnétique.
Pourquoi à notre échelle d’énergie
les interactions faible et électromagnétique paraissent
distinctes ?
Pourquoi les Z°, W+ et W- ont-ils des La réponse à
ces deux questions nous oblige à faire un détour par
ce que l’on appelle en physique le mécanisme de : brisure
spontanée de symétrie
Brisure spontanée
de symétrie et mécanisme de Higgs :
Une brisure spontanée de symétrie
est un phénomène par lequel un système physique
perd en degrés de symétrie. La rupture spontanée
de la symétrie joue très important dans beaucoup de
domaines différents de la physique. L’idée fondamentale
réside dans le fait que certaines solutions des équations
de la physique peuvent casser ou briser cette symétrie.
Les physiciens ont imaginé qu’un processus de brisure
de symétrie pourrait expliquer la décomposition de l’interaction
électrofaible en deux interactions : l’interaction faible
et l’interaction électromagnétique présentant
un niveau de symétrie moins élevé .Au delà
d’une certaine énergie (de l’ordre de 100Gev) le
potentiel électrofaible possède la symétrie SU
(2) x U (1) .Les états d’énergies sont dégénérés
ce qui conduit à briser spontanément la symétrie.
Ceci est du au fait que d’autres champs se superposent à
ceux de l’interaction électrofaible : Les champs de HIGGS
dont les quanta sont appelés bosons de HIGGS. Ces champs ne
possèdent pas les mêmes symétries que ceux de
l’interaction électrofaible .A haute énergie,
leur effet n’est pas décelable et donc la symétrie
de l’interaction faible est apparente.
La présence des bosons de HIGGS induit un autre phénomène
d’une importance majeur : ils font anormalement baisser l’état
d’énergie du vide. Par conséquent, les bosons
de l’interaction électrofaible (Z°, W+ et W-) ne
se
trouvant pas dans leur état fondamental (on dit qu’ils
ne sont pas sur leur COUCHE DE MASSE) et acquièrent une masse
! ! !
En acquièrant une masse leur portée devient finie, et
comme cette masse est très élevée (entre 80Gev
et 90Gev) cette portée est très courte.
Le volet expérimental
de la théorie électrofaible :
En 1984, les particules W et Z avaient été
découverts au collisionneur proton- antiproton du CERN, avec
des masses respectives de quelque 80 et 90Gev.
Le Z° avait certes été observé, mais il restait
à effectuer des mesures de précision de la particule.
En 1999 Morris Swartz , de l’université Johns Hopkins,
rendant compte des expériences de physique électrofaible
de précision avec des particules Z° a pu mettre en avant
18 millions de Z° , recueillis en majorité par les quatre
expériences L E P entre 1989 et 1995 ; c’était
à stanford (p6) au séminaire lepton-photon. En 1996,
les quatre détecteurs L E P ont commencé la production
de paires de W.
La détermination de la masse du W au L E P donne (80.35 0.056)
G e v ce qui est précis.
En fait, depuis son élaboration la théorie électrofaible
a connu des succès expérimentaux importants ;
- La prédiction et la découverte
des courants neutres.
- La prédiction et la découverte du quark C.
- La prédiction et la découverte des bosons W-, W+ et
Z°.
- La mesure de l’angle de Cabibbo introduit dans le processus
menant à la prédiction du quark C constitue un bon test
à la théorie :
- q = 13°.
En effet, le caractère impressionnant de l‘électrofaible
résidait dans le fait que les particules avaient des masses
prédites par la théorie.
L’électrofaible est une théorie de jauge renormalisable
qui se base sur un principe de brisure spontané de symétrie
locale en bon accord avec la nature. Elle constitue une bonne description
des interactions faibles et électromagnétiques.
Les expériences actuelles concernant cette théorie en
physique des particules ont pour but sa fermeture par la découverte
du boson de Higgs, particule qui fait l’objet d’intenses
recherches…
Références
:
* Théorie électrofaible,
Janelle Morrier
* Introduction au modèle standard, R. Abounasr & L. El
Fassi (Lab /PHE)
* Courrier Cern, Vol 37, mars 97
