Les particules élémentaires et les forces entre elles : bref état de nos connaissances actuelles (2016)

Pour illustrer les concepts précédents de forces générées par des échanges de bosons, on se sert souvent de diagrammes dits de Feynman détaillant les couplages boson messager-particule, figure 1. Ces diagrammes permettent de faire des calculs rigoureux.

Source - © 2016 CERN / IPNL / CMS

Figure 1. Exemple de diffusion d’un neutrino muonique sur des électrons : il y a échange d’un boson Z° de l’interaction faible, c’est la seule interaction possible dans ce cas. L’axe d’écoulement du temps va de gauche à droite

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Figure 2. Exemple de diffusion entre particules chargées : dans ce cas l’interaction principale a lieu entre charges électriques, c’est un échange de photon (force électromagnétique)

Dans ces deux cas, figure 1 et 2, il y échange d’un boson de jauge neutre, mais avec une différence de taille : alors que la masse du photon est nulle, la masse du boson Z° est grande (91 GeV) !

Pourquoi le messager Z° a t-il une telle masse alors que le messager photon n’en n’a pas ? Le mécanisme de Higgs de brisure spontanée de symétrie va l’expliquer.

On sait que certains noyaux se désintègrent spontanément en émettant un électron que l’on peut facilement détecter et un neutrino indétectable. Mais ce neutrino « signe » sa présence par le fait que l’énergie de l’électron est continue et non piquée (voir l’intuition géniale de Pauli qui a inventé pour cette raison le concept du « petit neutron ν »).

Ainsi le noyau X de charge Z « devient » un noyau Y de charge Z+1 :

${}_Z{}^{A}X\to {}_{Z+1}{}^{A}Y+e^{-}+\overline{{\nu }_e}$

Cela revient à observer que quelque chose a eu lieu à l’intérieur du noyau X. En termes de sous-constituant (le nucléon), cela revient à une transformation d’un neutron en proton :

$n\to p+e^{-}+\overline{{\nu }_e}$

Voici maintenant ce phénomène traduit dans le cadre du Modèle Standard que l’on vient d’évoquer, mettant en jeu les quarks et la force faible, figure 3. Un tel processus est calculé avec précision dans le cadre du Modèle Standard.

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L’écoulement du temps va de gauche à droite. Un des quarks d (charge -1/3) du neutron émet un boson W^- (charge -1) et devient un quark u (charge +2/3). Le W^- se désintègre à son tour en émettant un électron et un anti-neutrino, ce qui correspond à l’observation expérimentale. C’est ce processus qui est représenté ici, à droite : partant d’un état initial qui est le neutron, on obtient un état final qui est un proton accompagné d’un électron (conservation de la charge électrique) et d’un neutrino qu’on ne voit pas.

Figure 3. D'un neutron à un proton accompagné d’un électron

On reprend ici l’exemple du proton : les quarks uud (les grosses boules bleues, vertes et rouges du schéma de gauche) sont maintenus confinés dans le proton comme s’ils étaient collés par de la glue : en fait ils interagissent entre eux au moyen d’échange de gluons (matérialisés ici par des petits ressorts en jaune).

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Figure 4. Représentation du proton

Selon le principe d’incertitude de Heisenberg, ces gluons peuvent se matérialiser pendant un temps très bref en paires de quarks-anti quarks (qui peuvent être autres que u ou d) qui se recombinent en gluons etc.

Les gluons portant la charge de couleur, peuvent aussi interagir entre eux (figure 4 à droite). Cela donne une représentation moins naïve et plus complexe du proton.

Au final, le proton ne contient pas seulement les quarks uud (dits quarks de valence), mais aussi des quarks plus lourds (s-anti s), ainsi que des gluons, figure 4 à gauche.

Ainsi le proton apparait comme un ensemble complexe, « une mer » de « partons », c'est-à-dire un ensemble de gluons et quarks en mouvement schématisés dans la figure 4 à droite.

Dans les collisions au LHC, à très haute énergie, les collisions ont lieu entre « partons », essentiellement entre gluons. Il convient de noter que c’est l’énergie associée à l’ensemble de ces partons qui donne l’essentiel de la masse du proton (938 GeV).