Quelle est la force forte ?

La force forte ou force nucléaire forte est l’une des quatre forces fondamentales de la nature, avec la gravité, électromagnétisme et la force faible. Comme son nom l’indique, la force forte est la le plus fort puissance du four. Il lie les particules fondamentales de la matière, appelées quarks, pour former des particules plus grosses.

La force forte du modèle standard

La théorie dominante de la physique des particules est le modèle standard, qui décrit les éléments constitutifs de base de la matière et la façon dont ils interagissent. La théorie a été développée au début des années 1970 et, au fil du temps et à travers de nombreuses expériences, s’est imposée comme une théorie physique bien testée, selon CERN (s’ouvre dans un nouvel onglet)l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire.

Selon le modèle standard, l’un des plus petits et des plus fondamentaux particules élémentaires, ou ceux qui ne peuvent pas être divisés en parties plus petites, est le quark. Ces particules sont les éléments constitutifs d’une classe de particules massives appelées hadrons, qui comprennent des protons et des neutrons. Les scientifiques n’ont vu aucune indication qu’il existe quelque chose de plus petit qu’un quark, mais ils cherchent toujours.

La force forte a d’abord été proposée pour expliquer pourquoi les noyaux atomiques ne se séparent pas. Il semblait qu’ils le feraient en raison de la force électromagnétique répulsive entre les protons chargés positivement situés dans le noyau. Les physiciens ont découvert plus tard que la force forte non seulement maintient les noyaux ensemble, mais est également responsable de la liaison des quarks qui composent les hadrons.

« Les interactions de force fortes sont importantes pour… maintenir ensemble les hadrons », selon « Les quatre forces (s’ouvre dans un nouvel onglet)« , matériel de cours de physique de l’Université Duke. « L’interaction forte fondamentale maintient les quarks constitutifs d’un hadron ensemble, et la force résiduelle maintient les hadrons les uns avec les autres, comme le proton et les neutrons dans un noyau. »

Quarks et hadrons

Les quarks ont été théorisés en 1964, indépendamment par les physiciens Murray Gell-Mann et George Zweig, et le physicien a observé pour la première fois les particules au Stanford Linear Accelerator National Laboratory en 1968. Selon La Fondation Nobel (s’ouvre dans un nouvel onglet)Gell-Mann a choisi le nom, qui proviendrait d’un poème du roman « Finnegans Wake », de James Joyce :

« Trois quarks pour Muster Mark ! Bien sûr, il n’a pas beaucoup d’écorce, Et bien sûr, tout ce qu’il a, c’est tout à côté de la marque.« 

« Des expériences sur des accélérateurs de particules dans les années 50 et 60 ont montré que les protons et les neutrons ne sont que des représentants d’une grande famille de particules aujourd’hui appelées hadrons. Plus de 100 [now more than 200] hadrons, parfois appelés le « zoo hadronique », ont jusqu’à présent été détectés », selon le livre « Particules et noyaux : une introduction aux concepts physiques(Springer, 2008).

Les scientifiques ont détaillé la manière dont les quarks constituent ces particules hadroniques. « Il existe deux types de hadrons : les baryons et les mésons », écrit Lena Hansen dans «La force des couleurs (s’ouvre dans un nouvel onglet)« , un article publié en ligne par l’Université Duke. « Chaque baryon est composé de trois quarks, et chaque méson est composé d’un quark et d’un antiquark », où un antiquark est le antimatière contrepartie d’un quark ayant la charge électrique opposée. Les baryons sont la classe de particules qui comprend les protons et les neutrons. Les mésons sont des particules à vie courte produites dans de grands accélérateurs de particules et lors d’interactions avec des rayons cosmiques.

Arômes et couleurs de fromage blanc

Les quarks se déclinent en six variétés que les physiciens appellent « saveurs ». Par ordre de masse croissante, ils sont appelés haut, bas, étrange, charme, bas et haut. Les quarks up et down sont stables et constituent des protons et des neutrons, Live Science signalé précédemment. Par exemple, le proton est composé de deux quarks up et d’un quark down, et est noté (uud).

Les autres saveurs plus massives ne sont produites que dans des interactions à haute énergie et se décomposent extrêmement rapidement. Ils sont généralement observés dans les mésons, qui peuvent contenir différentes combinaisons de saveurs sous forme de paires quark-antiquark. Le dernier d’entre eux, le quark top, a été théorisé en 1973 par Makoto Kobayashi et Toshihide Maskawa, mais il n’a été observé qu’en 1995, dans une expérience d’accélérateur au Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab). Kobayashi et Maskawa ont reçu le Prix ​​Nobel de physique 2008 (s’ouvre dans un nouvel onglet) pour leur prédiction.

Les quarks ont une autre propriété, également avec six manifestations. Cette propriété a été étiquetée « couleur », mais elle ne doit pas être confondue avec la compréhension commune de la couleur. Les six manifestations sont appelées rouge, bleu, vert, antirouge, antibleu et antivert. Les anticouleurs appartiennent, à juste titre, aux antiquarks. Les propriétés de couleur expliquent comment les quarks peuvent obéir au principe d’exclusion de Pauli, qui stipule que deux objets identiques ne peuvent pas occuper le même état quantique, a déclaré Hansen. Autrement dit, les quarks composant le même hadron doivent avoir des couleurs différentes. Ainsi, les trois quarks d’un baryon sont de couleurs différentes et un méson doit contenir un quark coloré et un antiquark de l’anticouleur correspondante.

Les gluons et la force forte

Les particules de matière transfèrent de l’énergie en échangeant entre elles des particules porteuses de force, appelées bosons. La force forte est portée par un type de boson appelé « gluon », ainsi nommé parce que ces particules fonctionnent comme la « colle » qui maintient ensemble le noyau et ses baryons constitutifs. Une chose étrange se produit dans l’attraction entre deux quarks : la force forte ne diminue pas avec la distance entre les deux particules, comme le fait la force électromagnétique ; en fait, il augmente, plus proche de l’étirement d’un ressort mécanique.

Comme pour un ressort mécanique, il y a une limite à la distance à laquelle deux quarks peuvent être séparés l’un de l’autre, qui est d’environ le diamètre d’un proton. Lorsque cette limite est atteinte, la formidable énergie nécessaire pour réaliser la séparation est soudainement convertie en masse sous la forme d’une paire quark-antiquark. Cette conversion d’énergie en masse se produit conformément à Einsteinla fameuse équation E = Mc2 — ou, dans ce cas, m = E/c2 — où E est l’énergie, m est la masse, et contre est la vitesse de la lumière. Parce que cette conversion se produit chaque fois que nous essayons de séparer les quarks les uns des autres, les quarks libres n’ont pas été observés et les physiciens ne croient pas qu’ils existent en tant que particules individuelles. Dans son livre « Théories de jauge des interactions fortes, faibles et électromagnétiques : deuxième édition (s’ouvre dans un nouvel onglet) » (Princeton University Press, 2013), Chris Quigg du Fermilab déclare : « L’observation définitive des quarks libres serait révolutionnaire. »

Force forte résiduelle

Lorsque trois quarks sont liés ensemble dans un proton ou un neutron, la force forte produite par les gluons est en grande partie neutralisée, car la quasi-totalité de celle-ci sert à lier les quarks ensemble. En conséquence, la force est principalement confinée à l’intérieur de la particule. Cependant, une infime fraction de la force agit en dehors du proton ou du neutron. Cette fraction de la force peut agir entre protons et neutrons, appelés collectivement nucléons.

D’après Constantinos G. Vayenas et Stamatios N.-A. Pris en charge dans leur livre « Gravité, relativité restreinte et force forte (s’ouvre dans un nouvel onglet) » (Springer, 2012), « il est devenu évident que la force entre les nucléons est le résultat, ou l’effet secondaire, d’une force plus forte et plus fondamentale qui lie ensemble les quarks dans les protons et les neutrons. » Cet « effet secondaire » est appelé le  » force forte résiduelle » ou la « force nucléaire », et c’est ce qui maintient les noyaux atomiques ensemble malgré la force électromagnétique répulsive entre les protons chargés positivement qui agit pour les séparer.

Contrairement à la force forte, cependant, la force forte résiduelle diminue rapidement à de courtes distances et n’est significative qu’entre les particules adjacentes au sein du noyau. La force électromagnétique répulsive, cependant, diminue plus lentement, elle agit donc sur tout le noyau. Par conséquent, dans les noyaux lourds, en particulier ceux dont le numéro atomique est supérieur à 82 (plomb), alors que la force nucléaire sur une particule reste presque constante, la force électromagnétique totale sur cette particule augmente avec le numéro atomique au point que, finalement, elle peut pousser le noyau à part. « La fission peut être considérée comme un « bras de fer » entre la force nucléaire attractive forte et la force électrostatique répulsive », selon le Lawrence-Berkeley National Laboratory. ABC de la science nucléaire (s’ouvre dans un nouvel onglet). « Dans les réactions de fission, la répulsion électrostatique l’emporte. »

L’énergie libérée par la rupture de la liaison de force forte résiduelle prend la forme de particules à grande vitesse et rayons gamma, produisant ce que nous appelons la radioactivité. Les collisions avec des particules issues de la désintégration de noyaux voisins peuvent précipiter ce processus, provoquant une réaction nucléaire en chaîne. L’énergie issue de la fission de noyaux lourds, tels que l’uranium-235 et le plutonium-239, est ce qui alimente les réacteurs nucléaires et bombes atomiques.

Limites du modèle standard

En plus de toutes les particules subatomiques connues et prédites, le modèle standard inclut les forces fortes et faibles et l’électromagnétisme, et explique comment ces forces agissent sur les particules de matière. Cependant, la théorie n’inclut pas la gravité. L’intégration de la force gravitationnelle dans le cadre du modèle a déconcerté les scientifiques pendant des décennies. Mais, selon le CERN, à l’échelle de ces particules, l’effet de la gravité est si infime que le modèle fonctionne bien malgré l’exclusion de cette force fondamentale.

Ressources additionnelles

Le CERN a créé un site Web riche décrivant toutes les subtilités de nos efforts pour comprendre la force forte, qui vous pouvez voir ici (s’ouvre dans un nouvel onglet). Vous pouvez également consulter des démos interactives sur le Web ou via une application offerte par L’aventure des particules (s’ouvre dans un nouvel onglet). Si vous êtes plutôt d’humeur à écouter, regardez cet épisode de podcast (s’ouvre dans un nouvel onglet) creuser dans la force forte.

Bibliographie

Constantinos, G. et al. Gravité, relativité restreinte et force forte (Springer Science & Business Media, 2012)

Quig, C. Théories de jauge des interactions fortes, faibles et électromagnétiques (Presses universitaires de Princeton, 2013)

Povh, B. et al. Particules et noyaux : une introduction aux concepts physiques (Springer Science & Business Media, 2008)

Thacker, T. (1995, 29 janvier) Les quatre forces https://webhome.phy.duke.edu/~kolena/modern/forces.html#005 (s’ouvre dans un nouvel onglet)

Hansen, L. (1997, 27 février) La force des couleurs https://webhome.phy.duke.edu/~kolena/modern/hansen.html (s’ouvre dans un nouvel onglet)