Voyage vers l'infiniment petit
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L'interaction forte et la chromodynamique quantique

Hadrons

C'est à l'interaction forte que le noyau atomique doit sa cohésion. La première théorie de l'interaction forte est élaborée en 1935 par Hideki Yukawa : deux nucléons (protons ou neutrons) s'échangent des particules hypothétiques appelées mésons, de la même façon que dans l'interaction électromagnétique deux électrons s'échangent des photons. La portée de l'interaction forte est courte : de l'ordre des dimensions du noyau atomique (10-15 m), au-delà desquelles elle devient presque nulle. L'interaction électromagnétique, au contraire, agit à de grandes distances. La portée de ces deux interactions dépend de la masse de la particule échangée : le photon, particule de masse nulle, donne à l'interaction électromagnétique une portée infinie, le méson en revanche a une masse de l'ordre de 100 MeV qui limite la portée de l'interaction forte aux dimensions du noyau atomique.

En 1935, on connaissait un petit nombre de particules élémentaires : l'électron, le photon, le proton, le neutron, ainsi que l'hypothétique neutrino de Pauli et le mystérieux méson de Yukawa, ces deux derniers n'ayant alors pas encore été mis en évidence expérimentalement. En 1936, à la surprise générale, Carl Anderson découvre dans le rayonnement cosmique une particule très similaire à l'électron mais avec une masse environ 200 fois plus grande. Elle est baptisée muon. Cette découverte était tellement inattendue que le physicien Isidor Rabi se serait exclamé : « Le muon, qui l'a commandé ? ». On l'a identifié au méson de Yukawa, mais à tort car à la différence de ce dernier, le muon ne subit pas l'interaction forte. En 1947, Cecil Powell et ses collaborateurs corrigent finalement cette erreur en mettant en évidence le méson π (ou pion) dans les rayons cosmiques.

Cecil Powell (1903-1969), physicien britannique, professeur à l'Université de Bristol. Il met au point des techniques de photographie pour enregistrer des rayons cosmiques, grâce auxquelles il découvre le pion et met en évidence les réactions de désintégration des kaons. Prix Nobel de physique en 1950.

Le perfectionnement des accélérateurs de particules permet d'étudier un grand nombre de réactions nucléaires et de découvrir de nouvelles particules élémentaires. Dans les années 1950, les particules élémentaires prolifèrent au point que l'alphabet n'a plus de lettres pour les nommer : on en comptait alors plus de 400, produites en majorité par les processus d'interaction forte.

Les physiciens se sont inspirés des méthodes des zoologistes : « Quand on ne comprend pas, on classifie ! ». Le zoo des particules élémentaires a été divisé en groupes suivant le type d'interaction qu'elles subissaient. On a d'abord formé deux classes : les leptons (particules qui ne subissent pas l'interaction forte) et les hadrons (qui subissent l'interaction forte). Les hadrons ont à leur tour été divisés en mésons (particules de masse intermédiaire) et baryons (de grande masse). Enfin, ces derniers ont été divisés en nucléons (les constituants du noyau atomique, à savoir neutron et proton) et hypérons.

Le monde des hadrons est extrêmement riche : on a ainsi découvert les hypérons delta (Δ++, Δ+, Δ0, Δ-), les sigma (Σ+, Σ0, Σ-), les ksi (Ξ0, Ξ-) et le lambda Λ0, mais également les mésons pi (π+, π0, π-), les mésons Κ (Κ+, Κ0, Κ-, Κ0), le méson eta η0. La recherche paraissait désespérée tant la Nature est plus compliquée qu'on ne l'avait pensé.

Classification des particules élémentaires dans les années 1950.

Les physiciens découvrent que certaines nouvelles particules ne sont en fait que des états excités de hadrons déjà connus.

En 1932, Werner Heisenberg avait remarqué que si l'on néglige la charge électrique et la faible différence de masse, le neutron et le proton se comportent presque de la même manière et il les avait appelés nucléons. Par analogie avec le spin de l'électron, il avait introduit le concept d'isospin (ou spin isotopique). De même qu'une particule de spin ½ a deux projections de spin, +½ (spin up) et -½ (spin down), un nucléon a deux projections de l'isospin : +½ (qui correspond au proton et -½ qui correspond au neutron).

Le concept d'isospin a simplifié la classification des hadrons : les membres de la famille des baryons Δ (Δ+++, Δ0, Δ-) sont les projections de l'isospin 3/2 de la particule _ ; les membres de la famille des baryons Σ (Σ+, Σ0, Σ-) sont les projections de l'isospin 1 de la particule Σ ; les membres de la famille des mésons π (π+, π0, π-) sont les projections de l'isospin 1 de la particule π ; les membres de la famille des hypérons Ξ (Ξ0, Ξ-) sont les projections de l'isospin ½ de la particule Ξ, les membres de la famille des nucléons (p, n) sont les projections de l'isospin +½ du nucléon, et ainsi de suite.

Les hadrons ont été divisés en sous-groupes de même spin et de masse relativement proche en fonction de leur isospin et de leur charge électrique, on a ainsi obtenu des diagrammes d'une grande symétrie.

L'octet des baryons de spin ½.

Le découplet des baryons de spin 3/2.

L'octet des mésons de spin 0.