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Le Soleil, existant entre autres grâce à l’interaction faible
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 :

xkcd fundamental forces
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 : la particule vectrice de la force est un boson Z ou 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 (ou de masse) ou de la charge.
À cause de cette particularité de pouvoir changer la masse ou la charge, ’interaction faible a pour conséquence de modifier la nature de certaines particules, donc de transformer une particule en une autre.

Le qualificatif de « faible » provient quant à lui de la petitesse du rayon d’action de cette force. Ainsi, la gravité opère sur une distance infinie, mais 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 peut entrer en jeu, provoquer un échange d’un boson, et certaines particules vont alors être modifiées.

Ceci est ce qui se produit au cours de la radioactivité bêta, qui est une conséquence de l’existence de l’interaction faible : dans le carbone 14 (qui est radioactif), le noyau est structuré de sorte que les neutrons et les protons sont plus proches les uns des autres, et l’interaction faible peut opérer : un des quarks d’un des neutrons émet un boson W⁻ qui va être capté par un des 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 et un neutrino est également émis. L’atome tout entier, ayant gagné de cette façon un proton et un électron, devient donc 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− :

désintégration beta
Ce qu’il faut comprendre ici (le diagramme se lit de bas en haut), c’est qu’un des quark « d » devient un quark « u ». Le neutron (combinaison « u, d, d » ) devient alors un proton (combinaison « u, d, u »). L’ensemble s’accompagne de l’émission d’un boson W⁻. Ce dernier, lui-même instable, 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 des aimants, 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

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ianux a dit :
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.

On pourrait en dire autant de la gravitation qui, si elle est une force chez Newton, n'en est plus une chez Einstein, mais seulement le résultat de la courbure de l'espace-temps causée par la présence d'objets massifs.

C'est généralisable à toutes les force d'inertie comme les forces centrifuge ou de Coriolis qui sont maintenant nommées accélération centrifuge et effet de Coriolis.

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CoolRaoul a dit :

Ca s’éclaircit mais pas encore suffisamment pour moi.

Il est écrit "Les interactions fondamentales se manifestent par l’échange d’une particule messagère un boson, entre deux autres particules"
Mais dans l'exemple donné, quelles sont les "deux autres particules" entre lesquelles se fait l'échange?

Ce que je vois c'est un des quarks "up" d'un neutron qui émet un W ce qui a pour effet de le transformer en "down" et par suite le neutron en proton. Pas d'interaction entre *deux* particules.

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Le Hollandais Volant a dit :

@ianux : c'est vrai, on peut généraliser.
Reste que les trois autres interactions sont compréhensibles en tant que force. Pas l'interaction faible (du moins je n'y arrive pas).

@CoolRaoul : effectivement, le schéma n'est pas exactement analogue à l'explication.

Quand tu as un électron qui se désexcite, il retourne à un état de faible énergie et émet un photon.
Ici c'est similaire : le quark up, dans certaines conditions, va émettre un boson W et retourner dans un autre état (down, qui n'est pas forcément un état désexcité, mais ça, ça dépend du contexte).

Dans le lien-vidéo en fin d'article (que je viens d'ajouter, je pensais l'avoir mis) ils prennent l'exemple inverse : au lieu d'une désexcitation spontanée avec émission d'un anti-neutrino, c'est le passage d'un neutrino à proximité du noyau qui provoque le changement de saveur (passage de down à up) du quark. Le neutrino et le quark down échangent un boson W et par conservation de masse/charge et d'autres paramètres, on se retrouve avec un électron et un quark up. L'anti-neutrino peut être vu comme annihilé avec le neutrino initial.


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