

Si on considère la physique actuelle, elle se décrit intégralement par le biais de quatre interactions fondamentales. Cela signifie que tout phénomène peut être décrit par une fonction de ces quatre forces.

On dispose ainsi de :

l’interaction gravitationnelle, qu’on observe facilement en constatant que l’on est attiré par la Terre ;

l’interaction électromagnétique, qu’on observe avec un aimant (pour la partie magnétique) ou en se prenant un décharge électrostatique (pour la partie électrique), ou même la lumière (qui est en réalité un mix des deux) ;

l’interaction nucléaire forte, qui est responsable de la cohésion des noyaux atomiques (les particules du noyau se repousseraient à cause de l’interaction électromagnétique sans cette force nucléaire forte)

l’interaction nucléaire faible.

Parmi ces quatre interactions, les trois premières sont assez simples à se visualiser. La dernière, au contraire, a toujours été un peu plus difficile à expliquer et à comprendre :

Les 4 forces fondamentales, vues par XKCD (source), où l’interaction faible pose toujours ce même problème de compréhension…

L‘interaction faible n’est pourtant pas tellement différente des autres sur son principe de fonctionnement. C’est simplement que, plus spécialement pour elle, il convient de bien parler d’interaction et non pas de force.

En soit, les interactions fondamentales se manifestent par l’échange d’une particule « messagère », un boson, entre deux autres particules qui subissent l’effet de l’interaction. Dans le cas de la force électromagnétique, le boson est un photon et elle agit sur les particules chargées (proton, électron…).

L’interaction faible n’échappe pas à cette règle : les particules vectrices de la force sont les bosons Z et W et son action se fait sur les fermions, qui regroupe les quarks (constituants des protons et des neutrons) et les leptons (incluant l’électron).

Pour continuer le parallèle, tout comme la force électromagnétique permet à deux particules chargées d’échanger de l’énergie grâce à un photon, l’interaction faible permet à deux fermions d’échanger de l’énergie, de la masse, ou de la charge.

À cause de sa capacité à changer la masse et la charge d'une particule, l’interaction faible peut modifier la nature de certaines particules : elle peut donc transformer une particule en une autre.

Le qualificatif de « faible » provient quant à lui du faible rayon d’action de cette force.

Si la gravité opère sur une distance infinie, l’interaction faible n’agit que sur une distance n’excédant pas un millième de la taille d’un proton !

Deux fermions doivent donc être très très proches pour interagir. Ceci n’arrive pas toujours, même au sein d’un noyau atomique.

Quand cela se produit en revanche, l’interaction faible entre en jeu, produit l’échange d’un boson et certaines particules sont modifiées.

Ceci est ce qui se produit au cours de la radioactivité bêta, qui est une conséquence de l’existence de l’interaction faible.

Si l’on prend par exemple le carbone 14 (qui est radioactif bêta), le noyau est structuré de sorte que les neutrons et les protons sont plus proches les uns des autres que dans le carbone 12 (le carbone normal), et l’interaction faible peut opérer : un quarks d’un des neutrons émet un boson W⁻ qui va être capté par un quarks d’un des protons. Le neutron se transforme alors en un proton.

La différence de charge est alors émise sous la forme d’un électron. Un neutrino est également émis. L’atome tout entier, ayant gagné un proton et un électron et perdu un neutron, devient de l’azote 14 (non-radioactif).

La transformation du neutron en proton se fait spontanément grâce à l’interaction faible et l’échange d’un boson W− entre deux quarks. On représente ceci avec un diagramme de Feynman :



Le diagramme se lit de bas en haut : il faut voir ici qu’un des quark « d » devient un quark « u ». Le neutron (assemblage « u, d, d » ) devient donc un proton (« u, d, u »). L’ensemble s’accompagne de l’émission d’un boson W⁻. Ce dernier, instable lui-même, va se désintégrer en un électron et un anti-neutrino électronique.

Ce processus de création d’un proton et d’un électron (et d’un anti-neutrino) à partir d’un neutron, c’est la désintégration radioactive β, qui dans le cas du carbone 14 est mise à profit dans la méthode de datation au carbone 14.

Un autre exemple « d’application » de l’interaction faible sont les étoiles. Les réactions qui ont lieu au cœur des étoiles font intervenir des émissions et des absorptions de neutrinos (un lepton), dont le passage près des atomes provoque des transformations au niveau des quark et donc des noyaux. Ici, c’est le passage du neutrino très près du noyau qui provoque l’échange d’un boson et la mutation d’un quark down en up, puis émission d’un électron et d’un neutrino.

L’ensemble est ensuite responsable des mécanismes de fusion nucléaire, dont l’énergie libérée nous profite sur Terre.

Si l’interaction forte maintient l’existence des atomes, et que la gravité et l’électromagnétisme permettent respectivement le mouvement des astres et l'interaction des aimants, de la lumière et de l'électricité, l’interaction faible permet aux étoiles d’exister et évite que ces amas de gaz ne s’effondrent directement en trou noir sous la force de gravité. Dans l’observation et notre compréhension actuelle de l’univers, elle a donc pleinement sa place et mérite d’être expliquée et comprise.

Ressources

image d’en-tête de la Nasa