Interaction faible

L'interaction faible est l'une des quatre forces fondamentales de la nature. Pour les neutrinos, elle est la seule qui joue un rôle — et donc la raison pour laquelle ces particules sont si difficiles à saisir.

Quatre forces, une compétence

La gravitation maintient les planètes sur leurs orbites. L'électromagnétisme lie les électrons aux noyaux. L'interaction forte maintient les noyaux atomiques assemblés.

L'interaction faible fait autre chose : elle transforme les particules les unes dans les autres. Elle fait d'un neutron un proton, d'un muon un électron, d'un quark un autre.

Elle est ainsi la seule force capable de changer l'identité d'une particule. Toutes les autres poussent, tirent ou lient — celle-ci transforme.

Un neutrino ne porte ni charge électrique ni charge de couleur. Pour l'électromagnétisme et la force forte, il est invisible. Il ne reste que l'interaction faible — et la gravitation, sans importance à une masse si petite.

Pourquoi le Soleil brûle lentement

Le service le plus important de cette force est en même temps le plus discret.

La première étape de la fusion nucléaire dans le Soleil consiste en ce que deux protons fusionnent en un noyau de deutérium. Pour cela, l'un des deux doit se transformer en un neutron — un processus de l'interaction faible.

Et parce que cette force est si lente, cela prend du temps. Un proton isolé dans le cœur du Soleil attend en moyenne des milliards d'années que cette étape réussisse, bien qu'il entre sans relâche en collision avec d'autres protons.

C'est précisément cette lenteur qui fait du Soleil une centrale électrique plutôt qu'une bombe. Si l'interaction faible était plus intense, le Soleil serait depuis longtemps consumé — et il n'y aurait jamais eu de temps pour la vie.

Pourquoi elle est faible

Le nom induit en erreur. La force de couplage de la force faible n'est pas si petite. Ce qui la fait paraître faible, c'est la masse de ses particules médiatrices.

Les forces sont transmises par des particules d'échange. Dans l'électromagnétisme, c'est le photon sans masse, dont la portée est arbitrairement grande. Dans l'interaction faible, ce sont les bosons W et Z, environ quatre-vingts fois plus lourds qu'un proton.

Une particule d'échange aussi lourde ne peut exister que pendant un laps de temps infime et ne va en conséquence guère loin. La portée se situe autour de 10⁻¹⁸ mètre — un millième du diamètre du proton.

Deux particules doivent donc s'approcher extraordinairement près pour que quelque chose se produise. C'est exactement ce qui rend la section efficace si petite.

Aux très hautes énergies, cet inconvénient perd de son poids. Là, la force faible devient effectivement comparable en intensité à l'électromagnétisme — ce qui n'est pas un hasard, mais la raison de leur unification.

Deux sortes de processus

Les courants chargés passent par les bosons W. Une particule y change d'identité : un neutrino électronique devient un électron, un neutron devient un proton.

Les courants neutres passent par le boson Z. Ici, chaque particule reste ce qu'elle est ; seuls l'énergie et l'impulsion sont transférés. Ces processus furent découverts en 1973 avec la chambre à bulles Gargamelle.

La différence est décisive pour la détection. Parce que seuls les neutrinos électroniques réagissent avec la matière ordinaire par courants chargés, tandis que les courants neutres sont ouverts à toutes les espèces, le Sudbury Neutrino Observatory put comparer les deux canaux l'un à l'autre — et résoudre ainsi le problème des neutrinos solaires.

La particularité : gauche et droite

L'interaction faible est la seule force qui distingue la gauche de la droite. Elle n'agit que sur les particules gauches et les antiparticules droites.

C'est Chien-Shiung Wu qui l'a mis en évidence en 1956. La conséquence pour le neutrino est décrite par la page consacrée à l'hélicité.

Cette unilatéralité n'est pas expliquée à ce jour. Elle ne découle d'aucun principe plus profond, mais est une propriété mesurée qu'il faut intégrer à la théorie — l'un des rares points où le modèle standard se contente de décrire au lieu de fonder.

Unification

Dans les années 1960, Glashow, Salam et Weinberg montrèrent que l'interaction faible et l'électromagnétisme sont deux faces d'une même chose. Aux très hautes énergies, ils fusionnent en l'interaction électrofaible.

Qu'ils nous apparaissent aujourd'hui si différents tient au mécanisme de Higgs : il donne aux bosons W et Z leur masse et laisse le photon sans masse. Une force unique en devient ainsi deux, qui ne pourraient guère agir plus différemment — l'une de portée infinie, l'autre de portée quasi nulle.

Termes apparentés

• Bosons W et Z — les particules médiatrices
• Section efficace — pourquoi il se passe si peu de choses
• Hélicité — la chiralité
• Gargamelle — la mise en évidence des courants neutres

Sources

• S. Weinberg : A Model of Leptons, Physical Review Letters 19, 1264 (1967).
• Particle Data Group : Review of Particle Physics, section Electroweak Model.