Interaction élémentaire - Définition

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- Introduction - Interaction forte - Interaction faible - Interaction électromagnétique - Résumé tabulaire - Gravitation - Brève histoire de l'unification des interactions élémentaires

Introduction

Quatre interactions élémentaires sont responsables de tous les phénomènes physiques observés dans l'univers, chacune se manifestant par une force dite force fondamentale. Ce sont l'interaction nucléaire forte, l'interaction électromagnétique, l'interaction nucléaire faible et la gravitation.

En physique classique, les lois de la gravitation et de l'électromagnétisme étaient considérées comme axiomes. Cependant en théorie quantique des champs, ces forces sont décrites par l'échange de bosons virtuels : le modèle standard décrit les interactions fortes, faibles et électromagnétiques, mais une théorie quantique des champs n'a pas encore pu être élaborée pour la gravitation.

Les puissances de ces forces fondamentales sont normalement très différentes (voir plus bas), mais si l'énergie cinétique des particules augmente, les puissances se rapprochent. On pense que les quatre forces avaient la même puissance aux énergies extrêmement élevées qui étaient en jeu juste après le Big Bang.

Interaction forte

L'interaction nucléaire forte a les propriétés suivantes :

elle est responsable de la cohésion de tous les hadrons (baryons et mésons), c'est-à-dire toutes les particules composées de quarks ; elle est responsable, indirectement, de la cohésion des noyaux atomiques ;
rayon d'action seulement 2,5·10⁻¹⁵ m (0,000 000 000 000 0025 m), car la charge de couleur n'apparaît pas "nue" à des distances plus grandes (voir Confinement) ;
la plus puissante de toutes les interactions connues ;
transportée par les gluons.

Interaction faible

L'interaction nucléaire faible a les caractéristiques suivantes :

responsable d'un des types de radioactivité, la radioactivité bêta, elle joue aussi un rôle important dans la fusion nucléaire (comme par exemple au centre du soleil) ;
rayon d'action très court, 10⁻¹⁸ m ;
10¹³ fois moins puissante que la force nucléaire forte ;
transportée par les bosons lourds : Z⁰, W⁺ et W⁻.

Interaction électromagnétique

L'interaction électromagnétique a les caractéristiques suivantes :

responsable de la plupart des phénomènes quotidiens : lumière, électricité et magnétisme, chimie, ... Par exemple, elle retient les décorations sur les parois verticales de votre réfrigérateur ;
en principe, rayon d'action illimité. Mais en pratique, les charges positives et négatives tendent à se neutraliser ;
peut être attractive ou répulsive selon le signe des charges électriques ; cela vaut aussi pour les pôles dit Nord et Sud d'un aimant ;
cent fois moins forte que l'interaction forte ;
transportée par le photon.

Résumé tabulaire

Interaction	Théorie courante	Médiateurs	Masse (GeV/c²)	Puissance relative approximative	Rayon d'action (m)	Dépendance de distance
Forte	Chromodynamique quantique (QCD)	8 gluons	0	1	2,5·10⁻¹⁵	$\frac{1}{r^7}$
Électromagnétique	Électrodynamique quantique (QED)	photon	0	10^-2	∞	$\frac{1}{r^2}$
Faible	Théorie électrofaible	W⁺, W^-, Z⁰	80, 80, 91	10^-13	10⁻¹⁸	$\frac{1}{r^5}$ à $\frac{1}{r^7}$
Gravitation	Relativité générale	graviton (postulé)	0	10^-38	∞	$\frac{1}{r^2}$

Gravitation

La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction réciproque des corps massifs entre eux, sous l'effet de leur masse. Il s'observe au quotidien en raison de l'attraction terrestre qui nous retient au sol. La gravité est responsable de plusieurs manifestations naturelles : les marées, l'orbite des planètes autour du Soleil, la sphéricité de la plupart des corps célestes en sont quelques exemples. D'une manière plus générale, la structure à grande échelle de l'univers est déterminée par la gravitation.