La théorie des forces nucléaires

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 quantiquemécanique quantique permettait de considérer le protonproton et le neutronneutron comme deux états d'une même particule, baptisée nucléonnucléon, avec une quantité conservée analogue à la charge électrique et au spinspin d'un électronélectron. Cette quantité fut donc appelée isospin pour cette raison.

Yukawa imagina que, de même qu'un photonphoton 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 liantliant protons et neutrons dans le noyau. Celles-ci devaient être beaucoup plus intense que la force de répulsion électrostatiqueélectrostatique 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 mésonméson 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 cinétiquemoment 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'énergieénergie associée à l'électron.

Dans le cas des protons et des neutrons, n'ayant pas exactement la même massemasse (donc énergie associée) mais se comportant de façon identique dans les expériences de physiquephysique nucléaire faisant intervenir les forces fortesforces 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 pipi 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 gouttegoutte de liquideliquide très visqueux et chargé pour comprendre les caractéristiques des noyaux (tailles, énergies, réactions de fissionfission 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

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

La désintégration bêtabêta 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 atomeatome avec émission de photons. À la différence qu'ici, c'est la force nucléaire faibleforce nucléaire faible, et non la force électromagnétique, qui est responsable de l'émission d'un électron et d'un antineutrino.