Interaction électrofaible - Définition et Explications

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Introduction

En physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants...), l'interaction électrofaible, aussi appelée force électrofaible, est la description unifiée de deux des quatre interactions fondamentales de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.), à savoir l'électromagnétisme (L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude...) (appelé électrodynamique quantique (L'électrodynamique quantique relativiste est une théorie physique ayant pour but de concilier...) dans sa version quantique) et l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) faible. Ces deux forces paraissent pourtant très différentes aux échelles d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) atomique, et même nucléaire : la force électromagnétique (La force électromagnétique est, avec la force de gravitation, l'interaction faible, et...) est dite de portée infinie car on peut l'observer aisément à l'échelle macroscopique tandis que la force faible a une influence uniquement à l'échelle microscopique, au niveau du noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de protons et de...). Cependant, la force faible, telle qu'elle a été décrite par Fermi pour rendre compte de la désintégration β a une intensité croissant rapidement avec les énergies auxquelles on la considère, ce qui la rend incohérente à très grande énergie. La force électromagnétique, elle, croît aussi avec l'énergie considérée, mais bien plus lentement. Ces deux forces deviennent donc du même ordre de grandeur, vers une énergie d'une centaine de GeV. La théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) électrofaible s'appuie sur ce phénomène pour prédire une unification (Le concept d'unification est une notion centrale de la logique des prédicats ainsi que...) des deux théories, qui se mélangent à cette échelle d'énergies.

La théorie

Plus en détails, la théorie électrofaible est une théorie quantique des champs (La théorie quantique des champs (QFT, abréviation du terme anglais Quantum field theory)...) basée sur un groupe de jauge ( En tant qu'instrument de mesure : Une jauge est un instrument de mesure. On trouve par...) SU(2)_{ew}\times U(1)_Y\,. Où SU(2)_{ew}\, est le groupe de jauge correspondant à l'interaction faible dont les bosons de jauge sont les bosons W et le boson Z (Le boson Z0 est une particule élémentaire de la classe des bosons. Il est l'un des trois...) tandis que le groupe de jauge U(1)_{em}\, de l'électrodynamique (L'électrodynamique est la discipline physique qui étudie et traite des actions dynamiques entre...), dont le boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés...) de jauge est le photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...), est une combinaison (Une combinaison peut être :) de U(1)_Y\, avec un groupe U(1)\subset SU(2)_{ew}\, appelé groupe d'isospin (En physique des particules, l'isospin est une symetrie de l'intéraction forte qui est...). La théorie est capable de prédire les masses des bosons à 80 GeV pour le W ± et à 90 GeV pour le Z 0, les bosons vecteurs de la force faible, tandis que le photon, vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) de l'interaction électromagnétique a une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) nulle. Ces différences de masse expliquent la différence considérable de comportement de ces interactions à basse énergie.

Lorsque l'échelle d'énergie des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) est plus faible que l'échelle électrofaible une asymétrie (L'asymétrie est l’absence de symétrie, ou son inverse. Dans la nature, les crabes...) apparaît en effet entre électromagnétisme et interaction faible via une brisure spontanée de la symétrie électrofaible engendrée par le mécanisme de Higgs. Au cours de ce processus un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) scalaire (Un vrai scalaire est un nombre qui est indépendant du choix de la base choisie pour exprimer les...) appelé boson de Higgs (Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence a été...), initialement invariant par le groupe de jauge, acquiert dynamiquement une valeur moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...) non nulle dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) (de la même manière qu'un corps ferromagnétique acquiert spontanément une aimantation non nulle lorsque la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) est suffisamment faible). C'est ce gel, qui n'est pas symétrique de jauge, du boson de Higgs qui explique les masses des bosons de jauge, de façon asymétrique par rapport à la symétrie de jauge. Seul le photon garde une masse nulle, ce qui rend l'électromagnétisme facilement détectable, en raison de sa portée infinie.

C'est pour leurs contributions majeures, et largement indépendantes, au cours des années 1960 à l'unification des interactions faibles et électromagnétiques entre les particules élémentaires, que Sheldon Glashow (Pr. Sheldon Lee Glashow, Ph. D., Hon. D. Sc. (5 décembre 1932 à New York) est un...), Abdus Salam (Abdus Salam (29 janvier 1926 à Jhang Sadar, Inde (aujourd'hui au Pakistan) -...) et Steven Weinberg (Steven Weinberg, Ph.D., Hon. D. Sc. (3 mai 1933 à New York) est un physicien américain....) obtinrent le Prix Nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les...) en 1979.

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