Voyage vers l'infiniment petit
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Interaction faible

Au début du XXe siècle, les physiciens découvrent la radioactivité : certains éléments chimiques sont instables et, en émettant des particules, se transforment en un autre élément chimique.

La radioactivité β est une forme particulière de radioactivité : l'élément chimique se déplace d'une case à droite ou à gauche dans le tableau périodique de Mendeleïev. Au milieu des années 1930, comprenant mieux la structure du noyau atomique, on établit que la désintégration β est la transformation d'un neutron en proton, électron et neutrino, ce dernier étant une particule hypothétique. En 1934, Enrico Fermi propose le premier modèle théorique de la désintégration β : la transformation du neutron en proton, électron et antineutrino est due à une interaction nouvelle, dont la portée est presque nulle et l'intensité très faible.

Par désintégration β, un neutron libre se transforme en environ 10 minutes en proton, électron et antineutrino (n → p + e- + ν). Fermi postule une nouvelle interaction de faible intensité et de portée nulle, agissant ponctuellement : c'est l'interaction faible.

L'interaction faible a beaucoup surpris les physiciens. De nombreux phénomènes physiques sont invariants par parité : on ne peut pas distinguer le phénomène de son image dans un miroir. La parité est une symétrie discrète qui consiste à inverser les coordonnées spatiales, comme un miroir inverse l'image d'un objet. Mais alors que le miroir n'inverse qu'une seule coordonnée, celle perpendiculaire à son plan, la parité inverse les trois coordonnées. Par transformation de parité, tous les objets droits (par exemple une main droite) deviennent gauches et inversement. Les physiciens ont longtemps eu du mal à comprendre ce type de symétrie, qu'ils confondaient avec la rotation à 180 degrés. Pour expliquer la différence à ses étudiants, Lev Davidovitch Landau prenait l'exemple de l'acrobate de cirque : il peut faire toutes sortes de rotations dans l'espace, mais son cœur reste toujours à gauche.

En 1956, Tsung-Dao Lee et Chen Ning Yang analysent les désintégrations de deux particules qu'on croyait distinctes : le méson θ et le méson τ. Alors que le premier se désintègre en particules dont la parité totale est positive, le deuxième se désintègre en particules dont la parité totale est négative. Pourtant, tous deux ont la même masse et le même temps de vie. Lee et Yang émettent l'hypothèse qu'il s'agit d'une seule et même particule, qui à la suite de l'interaction faible se transforme, parfois en particule dont la parité est positive, parfois en particule dont la parité est négative : l'interaction faible viole la parité. En d'autres termes, on peut distinguer un phénomène physique de son image dans un miroir. Pour valider cette hypothèse, ils proposent des expériences.

Tsung-Dao Lee (né en 1926), physicien américain d'origine chinoise, professeur à l'Université Columbia et à l'Institute of Advanced Study. En collaboration avec Cheng Yang, il découvre que l'interaction faible viole la parité. Prix Nobel de physique en 1957.

Cheng Ning Yang (né en 1922), physicien américain d'origine chinoise, professeur à l'Institute of Advanced Study. Il découvre la violation de parité dans l'interaction faible. En collaboration avec Robert Mills, il établit les théories de jauge qui portent leurs noms. Prix Nobel de physique en 1957.

En 1957, Chien-Shiung Wu montre expérimentalement que cette hypothèse est juste : en analysant la désintégration β du noyau de Co60, on observe que l'électron est émis de préférence dans une direction opposée à celle du spin du noyau. Si l'on regarde la désintégration dans un miroir, l'électron est émis de préférence dans la direction du spin du noyau. Il suffit donc de voir dans quelle direction l'électron est émis pour déterminer si l'on voit le vrai phénomène ou son image dans un miroir.

Violation de parité dans la désintégration β du noyau de Cobalt 60. L'électron est émis préférentiellement dans la direction opposée à celle du spin du noyau. En regardant l'image dans un miroir, le spin change de sens (c'est un pseudovector) et l'électron est émis préférentiellement dans la direction du spin du noyau.

La même année, Richard Feynman et Murray Gell-Mann modifient la théorie de Fermi pour prendre en compte la violation de parité en proposant la théorie dite V-A.
Malgré ces améliorations, la théorie de Fermi n'est pas satisfaisante car elle n'est pas renormalisable. En effet, dans cette théorie, l'interaction faible est de portée nulle (ponctuelle) et elle n'est pas portée par des particules intermédiaires similaires au photon de l'interaction électromagnétique ou aux gluons de l'interaction forte.