Nous ouvrons notre chapitre final des interactions ou forces fondamentales connues.
J’insiste sur « connues », en effet cette discipline est en constante évolution, les théories et les découvertes sont nombreuses. Il nous reste tant à comprendre. Nous ne sommes donc pas à l’abri de la formulation d’une 5ème force fondamentale.
Il est temps de vous présenter deux physiciens d’exception.
ACTE IV: Scène I
Wolfgang Pauli et la désintégration bêta (β)
Nous sommes en 1930 et dans le monde passionnant de la physique, un de ces nombreux mystères va trouver une réponse.
Ce mystère porte sur la désintégration bêta (β) qui découle de la transformation d’un noyau atomique en un noyau différent.
Cela mérite une petite explication.
Un noyau atomique est la partie centrale d’un atome, c’est là que se trouve la quasi-totalité de sa masse. Il est formé de deux types de particules (subatomiques) : les protons et les neutrons constitués de quarks, le tout est nommé nucléon.
Les protons sont chargés positivement et c’est leur nombre qui détermine l’élément chimique, on parle de numéro atomique. Par exemple, l’oxygène a 8 protons, le carbone 6 et le soufre 16. Il suffit de se référer au fameux tableau périodique des éléments (vous vous doutez que nous y reviendrons 🙂 )
Les neutrons quant à eux n’ont pas de charge électrique, ils sont neutres. Protons et neutrons sont
entourés d’un nuage d’électrons chargés négativement, le tout est maintenu par la force nucléaire forte.
Revenons maintenant à notre désintégration β. Les scientifiques d’alors étaient dans l’incapacité d’expliquer où disparaissait l’énergie lorsqu’un neutron se transforme en proton (β-) ou d’un proton en neutron (β+). C’est un peu comme si une pièce de monnaie se transforme spontanément en une valeur différente. Le problème est que les scientifiques constatent que de l’énergie semble disparaître pendant cette transformation, comme si quelqu’un volait une partie de la monnaie en secret !
C’est dans cette confusion qu’entre en scène un scientifique d’origine autrichienne, Wolfgang Pauli, qui dans une lettre désormais célèbre et adressée aux « Chers Mesdames et Messieurs radioactifs » lors d’une conférence à Tübingen (Allemagne), introduit l’idée de l’existence d’une nouvelle particule responsable du différentiel énergétique qu’il nomma NEUTRINO.
À propos des neutrinos, il est fascinant de noter que :
– Ils traversent la matière presque sans interagir
– Des milliards traversent notre corps chaque seconde
– Ils existent sous trois « saveurs » : électronique, muonique et tauique
Comme souvent en science, spécifiquement en physique, il y a un temps pour que la pratique valide le théorique. Le neutrino ne fait pas exception, il faudra attendre 1956 afin que Frederick Reines et Clyde Cowan puissent détecter sur un réacteur nucléaire la présence de neutrinos.
Frederick Reines a pour cette découverte reçu le prix Nobel en 1995, Cowan étant décédé en 1974 (le comité Nobel n’attribue pas de prix à titre posthume).
Acte IV Scène II :
Enrico Fermi, un homme d’exception
Il y a tant à dire sur ce personnage emblématique de la physique que je lui consacrerais un article entier et vous verrez que cela sera à peine suffisant.
Fermi avait une trentaine d’années lorsqu’il débuta son travail sur l’interaction faible, mais c’est à la fin de l’année 1933 qu’il formula une théorie mathématique complète de la désintégration β.
L’héritage de Fermi est remarquable :
– L’élément 100 du tableau périodique a été nommé Fermium (Fm) en son honneur
– L’unité de mesure « fermi » (10^-15 mètre) porte son nom
– Le concept de « statistique de Fermi-Dirac » est fondamental en mécanique quantique
Fermi postula une interaction faible, presque de contact pour expliquer cette désintégration dans laquelle un neutron se transforme en proton émettant un neutrino et un électron (voilà où disparaissait l’énergie).
Cette façon de concevoir l’atome a été la première théorie quantique des interactions faibles.
Le 2 décembre 1942, en pleine guerre mondiale, Fermi est à l’université de Chicago et s’apprête à réussir une expérience pour le moins notable sous les gradins du stade de foot (abandonné) transformé et rebaptisé CP-1 pour Chicago Pile 1. Il s’agit de la première réaction nucléaire en chaîne contrôlée.
La première pile atomique est une étape clé du fameux projet Manhattan menant à la bombe atomique.
Le travail de Pauli et Fermi fut ensuite « raffiné » dans les années 1950 et 60 grâce au travail de Murray Gell-Mann et du prodigieux Richard Feynman.
L’interaction faible est unique car :
– C’est la seule force qui peut changer la « saveur » des quarks
– Elle viole la symétrie de parité (découverte qui a valu le prix Nobel à Lee et Yang)
– Elle joue un rôle essentiel dans la nucléosynthèse primordiale
C’est ces recherches sur l’interaction (la force) faible qui nous permettent de :
– Comprendre comment le Soleil brille (l’interaction faible participe aux réactions nucléaires dans les étoiles)
– Comprendre comment les éléments chimiques se sont transformés dans l’univers
– Permettre les examens PET-scan en médecine
– Réaliser la datation au carbone 14 (qui permet la datation des objets anciens)
La théorie électrofaible, développée plus tard par Glashow, Weinberg et Salam, unifie la force électromagnétique et la force faible, montrant qu’à haute énergie, ces forces ne sont que deux aspects d’une même interaction.
Image d’un atome avec ses électrons
Pour résumer, voici les caractéristiques des quatre forces fondamentales :
La force Gravitationnelle :
– La plus faible des 4 forces
– Agit sur toute matière ayant une masse
– Responsable de l’attraction entre les corps célestes
– A une portée infinie
– Décrite par Einstein dans la théorie de la relativité générale
La Force Électromagnétique :
– Plus puissante que la gravité
– Agit sur les particules chargées électriquement
– Responsable de la cohésion des atomes et des molécules
– A une portée infinie
– Décrite par les équations de Maxwell
La Force Nucléaire Forte :
– La plus puissante des 4 forces
– Agit sur les Quarks et maintient les noyaux atomiques
– A une très courte portée
– Responsable de la cohésion des noyaux atomiques
La Force Nucléaire Faible :
– Plus puissante que la gravité mais plus faible que les autres forces
– Responsable de certaines formes de radioactivité
– A une très courte portée
– Impliquée dans les réactions de fusion nucléaire dans les étoiles
Voici qui marque la fin de la présentation de ces 4 acteurs qui permettent à l’univers entier d’être ce qu’il est. J’espère avoir été compréhensible dans cette présentation, l’exercice n’était pas simple :).
Bravo à vous, lecteurs, car bien que j’aie essayé de rendre cela ludique, certains concepts demandent un effort intellectuel pour être intégrés, j’en ai conscience, c’est le prix de la connaissance.
Pour vos questions ou remarques, une seule adresse : nemano@nemano.fr
A très bientôt, l’aventure continue…