Interaction faible

Fermions du modèle standard

génération 1			génération 2			génération 3
fermion	symbole	isospin faible	fermion	symbole	isospin faible	fermion	symbole	isospin faible
électron	${\displaystyle e^{-}\,}$	${\displaystyle -1/2\,}$	muon	${\displaystyle \mu ^{-}\,}$	${\displaystyle -1/2\,}$	tau	${\displaystyle \tau ^{-}\,}$	${\displaystyle -1/2\,}$
neutrino-électron	${\displaystyle \nu _{e}\,}$	${\displaystyle +1/2\,}$	neutrino muonique	${\displaystyle \nu _{\mu }\,}$	${\displaystyle +1/2\,}$	neutrino tauique	${\displaystyle \nu _{\tau }\,}$	${\displaystyle +1/2\,}$
quark up	${\displaystyle u\,}$	${\displaystyle +1/2\,}$	quark charme	${\displaystyle c\,}$	${\displaystyle +1/2\,}$	quark top	${\displaystyle t\,}$	${\displaystyle +1/2\,}$
quark down	${\displaystyle d\,}$	${\displaystyle -1/2\,}$	quark étrange	${\displaystyle s\,}$	${\displaystyle -1/2\,}$	quark bottom	${\displaystyle b\,}$	${\displaystyle -1/2\,}$

La charge associée à l'interaction faible est l'isospin faible (T₃ ou T_z). C'est l'équivalent de la masse pour la gravitation, de la charge électrique pour l'interaction électromagnétique et de la charge de couleur pour l'interaction forte[4]. Elle gouverne la manière dont deux particules interagissent. Les fermions élémentaires ont un isospin faible de ±1/2. Par exemple, les quarks de type up (u, c et t) ont T₃ = +1/2. Ils se transforment en quarks de type down (d, s ou b) qui ont T₃ = −1/2, et vice-versa. Les bosons ont un isospin faible de 0 ou ±1. En particulier, le W⁺ a T₃ = 1 et le W^- a T₃ = -1, ce qui permet des auto-interactions du champ d'interaction faible appelées couplages trilinéaires et quadratiques[5].

L'isospin faible est conservé lors des désintégrations : la somme des isospins faibles est identique avant et après la réaction. Par exemple un pion π⁺, qui a un isospin faible de +1, se désintègre en un muon μ⁺ d'isospin faible +1/2 et un neutrino muonique ν_μ d'isospin faible +1/2.

Depuis l'introduction de la théorie électrofaible, une nouvelle charge nommée hypercharge faible a été proposée. C'est une combinaison de la charge électrique et de l'isospin faible[4] : ${\displaystyle \qquad Y_{W}=2(Q-T_{3})}$. L'hypercharge faible est le générateur de la composante U(1) du groupe de jauge électrofaible SU(2)xU(1).

Diagramme de Feynman d'une désintégration β d'un neutron en un proton, un électron et un anti-neutrino électronique, via un boson W^-.

L'interaction de Fermi a été mise en évidence la première[6]. Au début du XXI^e siècle, elle est considérée comme une interaction effective à basse énergie représentant l'échange du W^±, qui, étant électriquement chargé, se couple à un courant lui-même électriquement chargé : la partie la plus couramment utilisée de ce courant est constituée d'une partie qui annihile un neutrino-électron et crée un électron, ou l'inverse, ou encore crée/annihile une paire neutrino-positron, ou les mêmes processus avec les antiparticules. Elle joue le même rôle avec la paire neutron-proton. C'est cette interaction qui est à la base de la désintégration β du neutron, que l'on peut schématiser par la réaction :

${\displaystyle \mathrm {n} ~\to ~\mathrm {p} \,+\,\mathrm {W} ^{-}~\to ~\mathrm {p} \,+\,\mathrm {e} ^{-}\,+\,\mathrm {{\bar {\nu }}_{e}} }$

Comme le W a une masse élevée, la durée de la réaction pendant laquelle le W est virtuel est très brève, et l'interaction se produit pratiquement sur place, se résumant à l'interaction ponctuelle de Fermi :

${\displaystyle \mathrm {n} ~\to ~\mathrm {p} \,+\,\mathrm {e} ^{-}\,+\,\mathrm {{\bar {\nu }}_{e}} }$

Comme les particules présentes avant la réaction et celles présentes après sont différentes, il a été très facile de mettre en évidence les désintégrations β, et ainsi indirectement les courants électriquement chargés.

Le Z⁰ donne lieu au même genre de réactions que les W, mais il se fait durement concurrencer par des interactions électromagnétique et forte. On n'a donc réussi à mettre en évidence le courant électriquement neutre qui se couple au Z qu'en mettant en évidence des réactions où le neutrino présent au début se retrouve à la fin. Ceci exigeait évidemment de faire une expérience avec un faisceau de neutrinos suffisamment intense, et à une énergie suffisante pour avoir une probabilité d'observer des événements. Ce tour de force ne fut réalisé, après la formulation de la théorie, qu'en 1973 (voir découverte des courants neutres).

La radioactivité est connue depuis 1896, la distinction entre radioactivité α et β faite depuis 1899, la transmutation entre atomes établie depuis 1901, et les indices d'une perte d'énergie dans le processus s'accumulèrent entre 1911 et 1927. C'est en 1930 que Wolfgang Pauli a suggéré qu'une particule neutre très légère était émise mais pas encore observée[7]^,[8], et en 1934 que Fermi proposa une théorie de la radioactivité β dans laquelle des neutrinos sont émis[6]. Cette théorie prévoit des interactions à 4 fermions (neutron, proton, électron et neutrino), qui constituent la première version de l'interaction faible.

On a longtemps cru que les lois de la nature étaient identiques entre deux situations qui sont le reflet l'une de l'autre dans un miroir. Cette loi de parité était respectée par la gravitation classique, l'électromagnétisme et l'interaction forte, et on la supposait universelle. Mais dans les années 1950, Chen Ning Yang et Tsung-Dao Lee suggérèrent que l'interaction faible violait cette symétrie[9]. Chien Shiung Wu et ses collaborateurs démontrèrent la violation de la symétrie de parité en 1957[10], et Yang et Lee reçurent le Prix Nobel de physique la même année[11].

La découverte de la violation de symétrie et l'apparition des théories de renormalisation suggérèrent à Robert Marshak et George Sudarshan en 1957[12] puis à Richard Feynman et Murray Gell-Mann[13] de modifier la théorie de Fermi en introduisant une caractéristique des particules nommée chiralité. Dans cette théorie, l'interaction faible agit seulement sur les particules de chiralité gauche, celles de chiralité droite n'y étant pas sensibles. Dans la situation miroir, la chiralité change et donc l'interaction n'agit pas sur les mêmes particules. À cette époque, le boson Z n'était pas connu et la théorie n'incluait pas les champs de chiralité droite qui interviennent dans les courants neutres.

La nouvelle théorie introduisait une nouvelle symétrie nommée CP, qui combine la parité (permutation gauche droite) et la conjugaison (permutation entre particules et antiparticules). Mais en 1964, James Christenson, James Cronin, Val Fitch et René Turlay montrèrent expérimentalement que cette symétrie était violée elle aussi dans la désintégration des kaons[14] ; Cronin et Fitch obtinrent le Prix Nobel de physique en 1980 pour ce résultat. En 1973, Makoto Kobayashi et Toshihide Maskawa montrèrent que la violation de symétrie CP requiert une troisième génération de particules dans les modèles théoriques[15].

En 1979, Abdus Salam, Sheldon Glashow et Steven Weinberg reçurent le prix Nobel de physique pour leurs contributions à l'unification théorique entre l'interaction faible et l'interaction électromagnétique, créant ainsi le modèle standard de l'interaction électrofaible[16]^,[17]^,[18]^,[11]. Son existence fut prouvée expérimentalement en deux étapes. Tout d'abord, la collaboration Gargamelle en 1973 permit de découvrir les courants neutres[19]. Puis, en 1983 les collaborations UA1 et UA2 démontrèrent l'existence des bosons W et Z[20]^,[21]^,[22] ; en 1984, Carlo Rubbia et Simon van der Meer obtinrent le prix Nobel de physique pour leur contribution à ces expériences.

• Ouvrages de vulgarisation
  • Luc Valentin, Le monde subatomique : des quarks aux centrales nucléaires, Hermann, 1997, 309 p. (ISBN 978-2-7056-6043-7)
  • Michel Le Bellac, Le monde quantique, Les Ulis, EDP sciences, 2010, 227 p. (ISBN 978-2-7598-0443-6)
• Ouvrages techniques francophones
  • Claude Cohen-Tannoudji, Bernard Diu, Franck Laloë, Mécanique quantique, Hermann, 1997, 890 p. (ISBN 978-2-7056-6074-1)
  • André Rougé, Introduction à la physique subatomique, École Polytechnique, 2005, 442 p. (ISBN 978-2-7302-1231-1, lire en ligne)

• Loi universelle de la gravitation
• Force de Lorentz
• Interaction électrofaible
• Interaction forte

• Portail de la physique