Interaction élémentaire - Définition

Brève histoire de l'unification des interactions élémentaires

Au cours du XX^e siècle, la théorie électrofaible a tout d'abord été développée pour unifier l'électromagnétisme avec l'interaction faible. Puis l'interaction forte a pu être unifiée avec les deux premières donnant alors le modèle standard de la physique dont les prédictions ont été vérifiées avec une très grande précision dans les accélérateurs de particules. Néanmoins, même si ces interactions sont décrites dans un cadre commun, les intensités des trois forces, appelées aussi constantes de couplage, ne sont pas les mêmes. Cependant, ces constantes ne sont constantes que dans un sens approximatif. Leur valeur change selon la gamme d'énergies concernées. Le fait que la constante de couplage de l'interaction faible varie bien plus vite que celle de l'électromagnétisme a rendu leur unification relativement facile, ainsi que la vérification expérimentale de cette unification. La gamme d'énergies à laquelle elles se rencontrent est encore accessible aux expériences sur accélérateurs.
Le but des théories de grande unification est de fournir, d'une part, une description unifiée des trois forces dans laquelle elles partageraient une même constante de couplage (description qui serait valide à des échelles d'énergie très grandes de l'ordre de 10¹⁵ GeV), et, d'autre part, un mécanisme par lequel cette symétrie entre les trois forces est brisée aux échelles d'énergies que nous observons actuellement.

Enfin, toutes ces descriptions ne font pas mention de la gravitation dont l'influence reste négligeable tant que les énergies mises en jeu sont faibles devant l'échelle de Planck, de l'ordre de 10¹⁸ GeV, mais dont la constante de couplage effective à cette énergie rejoint celle des autres interactions. Comme la théorie du Big Bang nous informe que l'univers a connu dans ses tous premiers instants une phase très chaude et très dense, appelée l'ère de Planck, il est admis qu'une description correcte de cet univers primordial nécessite d'avoir à sa disposition une théorie quantique de la gravitation. Plusieurs théories candidates sont en cours d'élaboration pour fournir cette gravité quantique. Il s'agit d'une part de la théorie des cordes qui se donne également pour objectif de décrire les autres interactions à ces échelles (on parle de théorie du tout) et de la gravitation quantique à boucles qui est moins ambitieuse et vise seulement à décrire quantiquement la gravité sans inclure les autres interactions.