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mercredi 24 février 2016

L'interaction faible ou la force anticonformiste


Décrite en 1934 par le physicien italien Enrico Fermi, cette interaction est responsable de la radioactivité Bêta où un nucléon se transforme en un autre nucléon, en émettant une paire électron-antineutrino (ou leurs antiparticules). C'est la force faible qui maintient liées entre elles ces trois particules et elle peut donc être attractive dans ce cas ou répulsive en provoquant la transmutation d'un neutron en proton.




 Radioactivité Bêta ou b

Signalons qu'il existe deux variétés distinctes de radioactivité b.
Pour bien comprendre l'effet de ces deux radioactivités bien distinctes qui transforment un atome en un autre, prenons l'exemple de l'atome radioactif du Brome-35 qui contient 80 nucléons dont 35 protons.
 

  • La radioactivité b- transforme un neutron en proton avec émission d'un électron et d'un antineutrino électronique. L'électron émis étant de charge négative, la radioactivité est dite Bêta moins. Un atome de Brome-35 a donc 35 protons + 45 neutrons. La radioactivité b- le transforme en Krypton-36 qui a 36 protons + 44 neutrons! Dans 92% des cas, le brome-35 se transforme de cette manière.

  • La radioactivité b+ transforme un proton en neutron avec émission d'un antiélectron (ou positron) et d'un neutrino électronique. Le positron émis étant de charge positive, la radioactivité est dite Bêta plus. Un atome de Brome-35 a donc toujours 35 protons + 45 neutrons. La radioactivité b+ le transforme en Sélénium-34 qui a 34 protons + 46 neutrons! Dans 3% des cas seulement, le Brome-35 se transforme ainsi.

 

Cette interaction est plus discrète que les autres: elle a une intensité dix millions de fois plus petite que l'interaction forte (d'où son nom de faible) et sa portée est la plus courte de toutes: elle agit à 10-18 mètres c'est-à-dire pratiquement au contact de deux particules.
Pourtant l'interaction faible est fondamentale pour nous puisqu'elle régit les réactions thermonucléaires de notre Soleil et de toutes les étoiles: Sans elle, pas de chaleur et pas de vie!
Il est important de retenir que la force faible s'applique à tous les fermions, y compris les insaisissables neutrinos qui ne réagissent à aucune des autres interactions.
L'interaction faible est très excentrique car elle se singularise de ses trois soeurs par deux points:
  • elle se transmet par des particules très massives: les bosons intermédiaires
  • elle viole la symétrie de parité


 Les bosons intermédiaires

Contrairement aux autres bosons de masse nulle, les particules virtuelles médiatrices de l'interaction faible sont environ 100 fois plus massives que le proton! De plus, elles sont au nombre de trois:
  • le boson Z0 (le plus massif des 3) responsable de l'interaction faible par courant neutre. Cela signifie que ce boson n'a pas de charge électrique et ne provoque pas de changement de saveur (= nature de la particule) entre les fermions qui se l'échangent. Par exemple un quark u qui émet ou qui capte un Z0 restera un quark u et ne se transformera pas en quark d. Cette interaction est assez similaire à l'échange d'un photon pour l'électromagnétisme.
Le choc à haute énergie de deux protons (uud) peut produire des hadrons et des particules de très grande masse comme les bosons Z0
  • les bosons W- et W+ ont une charge électrique et sont responsables de l'interaction faible par courant chargé. Pendant un échange de boson W, les fermions changent de charge Q électrique, ils changent donc de saveur.
La radioactivité b- est donc expliquée par l'émission d'un boson W- par le quark d d'un neutron. Ce quark d change alors de saveur et devient un quark u. Le boson W-, qui est très instable, se matérialise rapidement en un électron et un antineutrino. Cette réaction est illustrée par la représentation de Feynman suivante :


Ces bosons intermédiaires furent découverts en 1983 au CERN de Genève par Carlo Rubbia. 

 

La violation de parité

La parité est la symétrie "miroir" qui inverse la droite et la gauche.
Imaginons une toupie en rotation et son image dans un miroir: les deux images correspondent à des situations possibles dans le réel; la toupie peut tourner dans les deux sens.
De même, pendant une interaction électromagnétique, on observe la direction de diffusion d'une particule chargée. On constate que cette même réaction "inversée comme dans un miroir" est possible et réalisable; donc l'électromagnétisme est dit "invariant par parité".
Cette invariance concerne aussi la gravitation et l'interaction forte. Cette symétrie semble évidente pour le sens commun: un phénomène vu dans un miroir peut exister dans le réel.

Quelle ne fut pas la surprise des physiciens en 1957 lorsqu'ils constatèrent avec stupeur que l'interaction faible viole cette parité. Explication:
L'interaction faible peut produire des désintégrations avec émission de neutrinos. Or ces neutrinos ont des spins, comme s'ils tournaient sur eux-mêmes. S'ils tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, on dit qu'ils sont "gauches". Il devrait donc aussi exister une réaction "miroir" qui produit des neutrinos "droits". Eh bien non! Ces neutrinos droits n'existent pas et le mécanisme à l'origine de cette asymétrie demeure inconnu!
 


crazyflash:Attractions sentimentales!
Les particules sont de grandes sentimentales; elles n'arrêtent pas de succomber à 4 types d'attractions. Il faut bien avouer que le physique des parties culs attire!
  • Toute planète (un gros tas de particules) est attirée vers son bel astre flamboyant. Même les stations orbitales (et les pommes) ressentent cette attirance: c'est la grave vie, stations! (Si vous en trouvez une meilleure, n'hésitez pas hein?)
  • Un électron esseulé qui capte le regard lumineux d'un proton au coeur atomique sera attiré par lui avec une forte intensité; car cette force, elle est que trop magnétique ! Mais attention, le divorce est facile et l'électron est très volage; il adore participer aux accouplements psychéchimiques entre atomes!
  • L'eunuque Léon est aussi attiré fortement pas ses semblables nucléaires. Cette attirance suspecte n'est que la manifestation malsaine des esprits quarks qui l'habitent. Cette trinité de quarks est indissociable car unie par de la colle forte super-gluon.
  • Certains quarks ont un faible pour une force qui les pousse à se transmuter en un autre quark. Cette transformation génère des Z (Z comme beau Zon) et des W (plus ou moins d'ailleurs!) qui s'éclatent ensuite en L (L est que tronc) et en nantis neutres rhinos. Voilà pour les gros bêtas du moins!

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