Les bosons : porteurs de forces


Tous les phénomènes physiques observables dans la nature peuvent s’expliquer en faisant appel à quatre forces fondamentales : la force de gravitation, la force électromagnétique, la force nucléaire forte et la force nucléaire faible. Mais qu’est-ce qu’une force ?

Les forces comme échanges de bosons

Une réponse moderne à cette question a été apportée à la fin des années 1940 avec une théorie appelée l’électrodynamique quantique (QED) qui réussit à clarifier le concept de force électromagnétique en s’appuyant sur les acquis de la mécanique quantique. Dans cette théorie, l’interaction électromagnétique n’était plus décrite comme le résultat d’un mystérieux champ, mais comme le résultat d’un échange de photons entre particules.

Ce succès ouvrit également la voie à une meilleure compréhension de la force nucléaire faible, une interaction moins connue mais néanmoins fondamentale et dont le principal effet est la radioactivité béta et la transformation de protons en neutrons et vice versa.

A la fin des années 1960, les physiciens Abdus Salam, Sheldon Glashow et Steven Weinberg montrèrent que, comme l’interaction électromagnétique, la force nucléaire faible pouvait s’interpréter comme un échange de particules. Il ne s’agissait pas dans ce cas d’un photon, mais de trois différents porteurs appelés les bosons vecteurs intermédiaires W+, W et Z0.

Ces trois types de particules, d’abord nés dans l’imagination des physiciens théoriques, furent détectés en 1983 dans le Super Synchrotron à Protons, un accélérateur de particules du CERN, ce qui prouvait de façon éclatante la justesse de cette nouvelle vision des forces.

Modèle standard

Les particules élémentaires et les vecteurs de force (à droite) aussi appelées bosons de jauge dans le modèle standard de la physique des particules. Crédit : Wikimedia Commons

Deux forces unifiées : la force électrofaible

La réinterprétation du concept de force allait encore plus loin. Elle affirmait que les forces électromagnétique et nucléaire faible pouvaient être unifiées en une interaction unique appelée la force électrofaible. Bien qu’apparemment très différentes, les deux interactions devaient posséder une nature profonde identique qui ne pouvait se révéler que dans des conditions extrêmes.

La théorie montre que si les particules en interaction ont une énergie énorme correspondant à une température d’un million de milliards de degrés, les deux interactions sont indiscernables et les trois bosons vecteurs intermédiaires se comportent exactement comme des photons. Par contre, dans des conditions ordinaires, les deux interactions se différencient et les quatre types de porteurs retrouvent des propriétés distinctes, par exemple leur masse.

La chromodynamique quantique

Parallèlement au développement de la théorie électrofaible, d’énormes progrès furent accomplis dans la compréhension de l’interaction forte. Vu le succès de l’électrodynamique quantique, les physiciens utilisèrent les mêmes principes de base pour décrire la force nucléaire forte, la force qui assure la cohésion des noyaux atomiques et de leurs constituants, les quarks.

Dans la nouvelle théorie, la chromodynamique quantique, l’interaction forte entre quarks s’explique également comme un échange de particules : les gluons, dont il existe huit types différents. La force ainsi créée a une portée très faible, mais elle est très puissante, ce qui explique que les quarks ne se trouvent jamais à l’état isolé, mais préfèrent se regrouper pour former un hadron.

Puisque les forces électromagnétique et nucléaire faible peuvent être unifiées en une interaction unique, serait-il aussi possible de les unifier avec la force nucléaire forte ?


Page mise à jour le 2 août 2017 par Olivier Esslinger