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La théorie des forces nucléaires

Dossier - Le boson de Higgs : une clé fondamentale de l'univers ?
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Le boson de Higgs est une particule prédite par le fameux modèle standard de la physique des particules élémentaires. Elle constitue en quelque sorte le chaînon manquant et la pierre d'achoppement de ce modèle.

  
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Entre temps la théorie des forces nucléaires s'était développée, ainsi que celle portant sur la structure du noyau. Quatre noms sont particulièrement importants, ceux de Heisenberg, Yukawa, Bohr et surtout Fermi.

Heisenberg avait montré que la mécanique quantique permettait de considérer le proton et le neutron comme deux états d'une même particule, baptisée nucléon, avec une quantité conservée analogue à la charge électrique et au spin d'un électron. Cette quantité fut donc appelée isospin pour cette raison.

Yukawa imagina que, de même qu'un photon était émis par des particules chargées, une particule liée à cette « charge » nucléaire que représentait l'isospin devait elle aussi être émise et devait être responsable des forces nucléaires liant protons et neutrons dans le noyau. Celles-ci devaient être beaucoup plus intense que la force de répulsion électrostatique entre deux protons pour assurer leur liaison et devait être véhiculée par une particule massive afin d'expliquer sa courte portée. Ce fut le fameux méson pi de Yukawa décrit par un champ scalaire.

Hideki Yukawa et son équation pour les forces nucléaires en 1949. © Yukawa Institute for Theoretical Physics

En effet, on peut se représenter, avec certaines précautions, l'électron comme une petite sphère en rotation. Il possède donc un moment cinétique, que l'on représente dans les schémas ci-dessous par des flèches et que l'on nomme spin.

Selon qu'il « tourne » dans un sens ou dans l'autre, on parlera de spin bas ou de spin haut.

Différent états de spin d'une même particule, l'électron.

En émettant ou absorbant un photon, l'électron peut passer d'un état à un autre. Il se produit alors un changement dans l'énergie associée à l'électron.

Dans le cas des protons et des neutrons, n'ayant pas exactement la même masse (donc énergie associée) mais se comportant de façon identique dans les expériences de physique nucléaire faisant intervenir les forces fortes, on peut les traiter comme deux états d'une même particule, le nucléon , pouvant passer d'un « isospin » haut à un « isospin » bas en émettant l'analogue d'un photon, ici le méson pi de Yukawa.

Peu de temps après Yukawa, Bohr fit une des premières théories de la structure des noyaux. En raison du nombre important de nucléons dans ceux-ci, des caractéristiques d'intensité et de courte portée des forces nucléaires, il fut conduit à introduire des modèles de goutte de liquide très visqueux et chargé pour comprendre les caractéristiques des noyaux (tailles, énergies, réactions de fission etc.).

On voit déjà apparaître une connexion entre l'étude des forces nucléaires et l'électrodynamique des milieux condensés. Cela se trouvera être important comme la suite le montrera.

À gauche Niels Bohr (prix Nobel), à droite : fission d'un noyau selon N. Bohr, notez les déformations analogues à la fission d'une goutte de liquide. © DR

Modes d'oscillations d'un noyau, notez à nouveau les analogies avec une goutte de liquide. © DR

Enfin Fermi introduisit dans les mêmes années sa théorie de la radioactivité bêta (cf. d3, d4). Il s'inspira pour cela de la dualité onde/corpuscule manifestée aussi bien par la lumière que par la matière ainsi que de la théorie de l'émission de la lumière par un système atomique.

La désintégration bêta d'un neutron en un proton avec émission d'un électron et d'un antineutrino est alors similaire à une transition entre deux niveaux d'un atome avec émission de photons. À la différence qu'ici, c'est la force nucléaire faible, et non la force électromagnétique, qui est responsable de l'émission d'un électron et d'un antineutrino.