INTERACTIONS (physique)Interaction électrofaible

Questions ouvertes

Selon la théorie électrofaible, l'interaction au niveau des leptons couple de façon fondamentale l'électron au neutrino électronique, le muon au neutrino muonique, le lepton tau au neutrino tauique. En d'autres termes, l'électron qui absorbe un boson W⁺ se transforme en un neutrino électronique. Mais quelle est la réaction équivalente du côté des quarks ? Pour expliquer la désintégration β du neutron, il semble qu'un quark d se transmute en un quark u lorsqu'il absorbe un boson W⁺ ou qu'il émet un boson W^—. Quand on analyse les données expérimentales, on s'aperçoit que la nature a un peu compliqué les choses : le quark d se transmute plutôt en une superposition de quarks u, c et t. Le terme superposition est à prendre au sens de la superposition des ondes comme le formalisme quantique nous y invite. Les amplitudes de probabilité de chacune des transmutations des quark d, s et b sont les éléments d'un tableau de neuf nombres complexes, la « matrice Cabibbo-Kobayashi-Maskawa », en référence aux noms des théoriciens qui ont postulé ce mécanisme et établi ses propriétés. Déterminer cette matrice nécessite l'analyse fine de nombreuses réactions faibles, en particulier des désintégrations des mésons lourds contenant le quark b qui lui aussi se couple à une superposition de quarks u, c et t. Prédire ou expliquer les valeurs des éléments de cette matrice constitue un défi théorique majeur de la physique fondamentale.

Malgré la difficulté de la tâche, de nombreux physiciens ont tenté de déterminer la masse des neutrinos. Toutes leurs mesures sont compatibles avec une masse nulle, et cette propriété est incluse dans la description actuelle de l'interaction électrofaible. Cependant, en 1999, une équipe nippo-américaine a mis en évidence un phénomène d'oscillation de neutrinos : certains neutrinos électroniques émis par le Soleil se transforment pendant leur voyage vers la Terre en un type différent de neutrinos. Pour qu'une théorie parvienne à rendre compte de ce fait, il faut que les différents types de neutrinos aient des masses différentes et donc qu'au moins un neutrino ait une masse non nulle. Il faut de plus qu'il existe une matrice de mélange des neutrinos du même type que la matrice Cabibbo-Kobayashi-Maskawa des quarks. La déterminer nécessite un ambitieux programme expérimental, où un faisceau de neutrinos est « observé » à courte et à longue distance de son point de production. Ainsi un faisceau de neutrinos produit au Cern de Genève est mesuré dans le tunnel du Gran Sasso près de Rome. L'interaction électrofaible n'a certainement pas encore livré tous ses secrets.

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