INTERACTIONS (physique) Interaction électrofaible

La première manifestation de l'interaction nucléaire faible qu'on a observée est la désintégration β^– de certains noyaux atomiques. Cette transmutation d'un élément vers un autre provient de la transformation d'un neutron en un proton avec émission d'un électron et d'un antineutrino. La radioactivité β⁺ est une réaction très semblable où un noyau se désintègre en émettant un positon et un neutrino. Il fallut des décennies de recherches pour que ces phénomènes de transmutation soient compris comme le résultat d'une force fondamentale qui agit au niveau des quarks, des électrons et des neutrinos. Tout laisse à penser que l'interaction faible déclenche le processus de nucléosynthèse stellaire, qui est à l'origine de la fabrication d'énergie par les étoiles, et en particulier par le Soleil. Elle provoque en effet la fusion de deux protons en un noyau de deutérium, avec émission d'un positon et d'un neutrino, processus qui est le premier maillon de la longue chaîne des réactions nucléaires qui ont lieu dans les plasmas à haute température au cœur des étoiles. L'extrême petitesse de l'intensité de l'interaction faible permet que les étoiles ne brûlent pas leur combustible en un bref instant, et est donc la cause principale de leur durée de vie. Considérée du point de vue de l'espèce humaine, l'interaction faible est donc le régulateur des conditions physiques de notre environnement et le modérateur essentiel des processus nucléaires sources de l'énergie solaire.

Bien qu'à l'exception des photons et des gluons toutes les particules élémentaires soient soumises aux effets de l'interaction faible, il faut distinguer les neutrinos pour le rôle essentiel que l'étude de ces particules a joué dans les progrès de sa compréhension. Dépourvus de charge électrique et de charge de couleur, les neutrinos sont insensibles aux interactions électromagnétiques et fortes et leur présence signe donc l'action des interactions faibles. C'est en décembre 1930 que Wolfgang Pauli suggéra leur existence pour donner une explication simple de certaines anomalies apparaissant dans la radioactivité β et en particulier le spectre continu des électrons émis. La détection des neutrinos est tellement difficile qu'il fallut attendre vingt-six ans pour que les expériences de Clyde Cowan et Frederick Reines auprès des réacteurs nucléaires les mettent en évidence.

La théorie de Fermi

En 1933, Enrico Fermi propose une première théorie des interactions faibles. Il met alors en œuvre la théorie quantique des champs, c'est-à-dire qu'il considère, comme Dirac l'a proposé pour l'électromagnétisme, un formalisme où un processus est décrit par l'action d'opérateurs de création ou d'annihilation de champs. Il associe à chaque transition d'un neutron vers un proton la création d'un électron et d'un neutrino. Comme un courant électromagnétique peut faire apparaître une paire électron-positon, un courant faible se matérialise en un électron et un antineutrino. Cette théorie a le grand mérite de montrer l'universalité d'un certain nombre de phénomènes de désintégrations de particules et de noyaux en les analysant comme les conséquences d'un même mécanisme sous-jacent. Mais elle n'est pas mathématiquement cohérente dans le sens qu'elle ne permet pas de calculer par approximations successives les grandeurs observables.

En 1956, des données fournies par l'accélérateur de particules de Brookhaven, près de New York, semblent inexplicables. Deux jeunes théoriciens, Chen-Ning Yang et Tsung-Dao Lee, montrent que le mystère se dissipe si l'interaction faible, contrairement à toutes les autres forces de la nature, ne respecte pas la symétrie de parité, aussi[...]