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3.1 La force nucléaire forte

3.2 Le modèle standard

3.3 La chromodynamique quantique

3.4 Les problèmes du modèle standard

 

 

3.1 La force nucléaire forte

 

    La force nucléaire forte est responsable de la cohésion des noyaux et se retrouve dans les collisions de hadrons à haute énergie. Elle régit les interactions entre les quarks et les gluons (médiateurs de la force forte). Malgré le fait qu’une force dont les médiateurs (les gluons) sont de masse nulle devrait théoriquement avoir une portée infinie, le confinement des quarks et des gluons dans les noyaux en réduit la portée à 10-15 m.

    En 1979, au laboratoire DESY à Hambourg, les scientifiques accomplirent l’observation indirecte des gluons, des bosons sans masse de spin 1, médiateurs de la force nucléaire forte. Les gluons existent au nombre de huit, et forment un octet de jauge de symétrie SU(3). La force nucléaire forte est donc, comme la force électrofaible, une force de jauge.

 

3.2 Le modèle standard

 

    Selon le modèle standard, il y a trois générations de particules élémentaires (voir section 2.1), qui sont des fermions, chacune comportant 6 quarks (deux saveurs, trois couleurs) et deux leptons, dont l’un est un neutrino. Il y a de plus des bosons de spin 1 qui sont les médiateurs des forces : le photon pour la force électromagnétique, le triplet (W±, Z0) pour la force nucléaire faible et les huit gluons pour la force nucléaire forte. En dernier lieu, il y a la particule de Higgs, un objet neutre survivant à la brisure de symétrie spontanée de la force électrofaible, de spin 0. Le modèle standard n’inclut pas la gravité.

    Les règles du modèle standard sont les suivantes. Les antiparticules ont une charge électrique, un nombre baryonique et un nombre leptonique opposés. Les particules colorées n’existent que dans des combinaisons pour lesquelles les couleurs s’annulent. Les baryons sont formés de trois quarks, les antibaryons de trois antiquarks et les mésons d’une paire quark-antiquark. Les baryons, les antibaryons et les leptons forment les hadrons. Les glueballs sont formés d’une paire gluon-antigluon. Notons qu’en 2003, un état lié de quatre quarks et d’un antiquark fut découvert et appelé pentaquark.

 

3.3 La chromodynamique quantique

 

    La chromodynamique quantique décrit de façon remarquable les interactions hadroniques de l’interaction forte. On associe aux baryons une fonction d’onde qui dépend de la couleur q des éléments qui la composent :

    Si L et QL sont respectivement un doublet de lepton et de quark gauches, on peut alors écrire le lagrangien du modèle standard :

et où Y est l’hypercharge, τi sont les matrices de spin de Pauli, λa sont les matrices de Gell-Mann, et g1, g2, et g3 sont les constantes de couplage.

 

3.4 Les problèmes du modèle standard

 

    Malgré la justesse avec laquelle les résultats expérimentaux sont en accord avec le modèle standard, beaucoup doutent qu’il s’agisse d’une théorie fondamentale. En effet, il n’arrive pas à prédire un bon nombre de principes fondamentaux, soient : la grandeur des constantes de couplage des forces fondamentales, l’existence de trois générations de quarks et de leptons, l’absence de mélange entre quarks et leptons, les masses des quarks et des leptons et la quantification de la charge électrique. En tout, si comme certains le croient les neutrinos sont massifs, pas moins de 26 paramètres doivent être trouvés expérimentalement.

    De plus, ce modèle engendre certains problèmes, certaines questions qui le rendent insatisfaisant.

1) Le problème de jauge : La force électromagnétique et les forces nucléaires forte et faible totalisent trois groupes de symétrie différents décrivant les interactions entre la matière avec trois constantes de couplages différentes. Comment le justifier, et comment parvenir à l’unification de la force forte et de la force électrofaible?

2) Le nombre de paramètres : Que dire du caractère fondamental d’une théorie qui nécessite 26 paramètres?

3) Existe-t-il une relation entre les quarks et les leptons?

4) La quantification de la charge : Comment expliquer que les charges du proton et de l’électron soient exactement opposées, et que celles des quarks soient exactement des multiples du tiers de la charge de l’électron?

5) Le modèle standard n’inclut pas la gravitation. Les médiateurs de la gravité ont un spin de 2, ce qui la rend difficilement abordable en termes de la théorie quantique.

6) Le problème de hiérarchie : Il existe points critiques, trois échelles d’énergie fondamentales : 100 MeV pour le couplage fort, 100 GeV pour la brisure de symétrie spontanée de la force électrofaible et 1019 GeV pour la disparité de la gravité par rapport aux autres forces. Comment expliquer des échelles si différentes?

7) Le boson de Higgs est quelque peu controversé.

 

 

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