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L'interaction forte

ou

La colle super-gluon

L'interaction forte est responsable du confinement des protons et des neutrons dans les noyaux atomiques. Son intensité est considérable et elle dominerait toutes les autres forces de la nature si son rayon d'action n'était pas aussi minuscule (de l'ordre de la taille des noyaux atomiques, soit 10^-15 mètre). Cela explique que dans un noyau, deux protons, de même charge Q positive, ne soient pas séparés violemment par la force électromagnétique: l'interaction forte est beaucoup plus puissante.
 
 

En fait, l'interaction forte s'exerce plus fondamentalement entre les constituants des nucléons: les quarks (et les antiquarks). De la même manière que l'interaction électromagnétique n'agit que sur les particules possédant une charge Q non nulle, l'interaction forte n'agit que sur les particules portant une caractéristique baptisée "couleur". La théorie expliquant ce mécanisme s'appelle la chromodynamique quantique (car chromo = couleur) ou QCD.
 

La chromodynamique quantique
 

Les quarks et les antiquarks sont donc caractérisés par une couleur:

• rouge, vert ou bleu (les 3 couleurs primaires) pour les quarks

• cyan, magenta ou jaune (les 3 couleurs complémentaires correspondantes ou anticouleurs) pour les antiquarks

N'imaginez pas que ces particules soient colorées comme des boules de billard! ce terme poétique de couleur a été imaginé pour nommer une nouvelle charge qui ne concerne que l'interaction forte.
Chez les quarks d'un nucléon, tout va par trois: Les charges Q sont fractionnaires d'un tiers et surtout les nucléons ne portent pas de couleur particulière: ils sont blancs. Ce blanc ne peut être obtenu que si les trois quarks du nucléon sont tous d'une couleur différente. Comme en optique:
 
 

A noter que la famille des leptons (électron, muon, tau et leur neutrino) est insensible à l'interaction forte et donc ces particules sont non colorées.
Quant aux quarks, les particules composites qu'ils forment par regroupement s'appellent les hadrons. Tous les ces hadrons sont donc sensibles à l'interaction forte et ils ont tous une charge de couleur nulle: ils sont donc blancs.

Ils peuvent être de deux types différents:

• Les baryons qui contiennent 3 quarks de 3 couleurs différentes obéissent la règle suivante (les nucléons sont des baryons particuliers contenant des quarks u et d) :

          Les antibaryons contiennent 3 antiquarks de 3 anticouleurs et obéissent à la règle :
 

• Les mésons (particules instables et très éphémaires) contiennent un quark d'une couleur primaire et un antiquark de la couleur complémentaire (l'anticouleur) correspondante:

Les gluons

L'interaction forte s'exerce par l'intermédiaire d'un boson ou particule médiatrice. Ce boson a été baptisé gluon et il en existe huit différents; chacun porteur d'une couleur et d'une anticouleur.

Comme les photons, ils sont de masse nulle et comme le graviton, ils n'ont encore jamais été détectés.

Un gluon est donc toujours associé à une couleur et à une anticouleur; lorsqu'il est échangé entre deux quarks, il va donc échanger les couleurs de ces derniers. Contrairement au photon médiateur qui ne change pas les charges Q des particules interagissantes, les gluons, eux, changent la couleur des quarks.

Pourquoi 8 gluons ?

• Dans un baryon (ou triplet de quarks), il existe 6 gluons reliant chaque couleur à chacune de ses deux couleurs complémentaires.
• Dans un méson (ou duo quark-antiquark), il existe 2 gluons reliant une couleur à son anticouleur.

Il faut donc se représenter un nucléon comme une incessante transformation de 3 quarks s'échangeant en permanence des gluons. A un instant donné, les 3 quarks ont bien 3 couleurs différentes, mais ces couleurs vont constamment changer de propriétaires à tour de rôle.
 

Plus étonnant encore, vus de très près, les quarks d'un nucléon semblent libres. En revanche, s'ils s'éloignent les uns des autres, la force qui les lie augmente et ils ne peuvent sortir du nucléon. Quarks et gluons sont confinés à l'intérieur des baryons et des mésons. Donc deux quarks de couleurs différentes sont d'autant plus attirés l'un par l'autre qu'ils sont éloignés l'un de l'autre! C'est comme s'ils étaient reliés par un élastique. c'est le confinement des quarks.
On ne pourra donc jamais observer un quark isolé.

la liaison inter-nucléon

L'interaction forte fondamentale s'exerce donc entre les quarks et les gluons d'un nucléon.
Ce qui lie entre eux les nucléons dans le noyau atomique, ce sont des "fuites" de gluons, de quarks et d'antiquarks.
En 1937, le physicien japonais Hideki Yukawa propose que les liaisons entre protons ou neutrons se fassent par l'intermédiaire de particules appelés les mésons p (Pi). Ces mésons Pi seront effectivement détectés dix ans plus tard. En fait, nous savons maintenant que les mésons sont une association instable de quarks, d'antiquarks et des gluons nécessaires: Ces mésons sont en quelque sorte des fuites s'échappant du nucléon et interagissant avec le nucléon voisin: telle est l'interaction forte résiduelle agissant secondairement entre les nucléons par l'intermédiaire de mésons.