4. Masse et interactions
Nous savons que la matière est composée d'atomes, eux-mêmes composés d'électrons et d'un noyau constitué de particules plus fondamentales : les quarks et gluons, qui forment les nucléons, regroupés dans le noyau.
L'affirmation que la masse d'un corps quelconque est fournie par celle de ses constituants, même en tenant compte pour être plus précis du défaut de masse évoqué plus haut, semble complètement contredite au niveau le plus élémentaire. Comprendre les masses des particules est un des grands défis de la physique du xxie siècle.
En effet, dans la physique quantique des particules et des interactions fondamentales, la notion de masse présente plusieurs aspects des plus intéressants. Rappelons tout d'abord qu'une interaction entre deux particules est comprise, dans le formalisme de la théorie quantique des champs, comme l'échange entre elles de particules médiatrices. Par exemple, deux électrons peuvent « rebondir » l'un sur l'autre en échangeant un ou plusieurs photons. Les particules médiatrices de l'interaction électromagnétique sont ici les photons (cf. physique quantique). S'ils sont animés de grande énergie et s'approchent très près l'un de l'autre, les deux électrons peuvent aussi échanger des bosons Z0, messagers de l'interaction nucléaire faible, dont l'intensité est inférieure et la portée moindre que l'interaction électromagnétique. Ces particules intermédiaires sont dites « virtuelles » ; leur existence éphémère, entre leur émission et leur absorption, ne peut dépasser, sous peine de violer la loi de conservation de l'énergie, une durée Δt liée, par l'inégalité de Heisenberg, à la dispersion en énergie DE ⪆ mc2 nécessaire pour assurer leur apparition :
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