Voyage vers l'infiniment petit
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Le muon, découvert en 1936, se désintègre par interaction faible en un électron et deux neutrinos. Le neutrino est une particule très légère, sans charge électrique, il n'interagit avec les autres particules que par interaction faible ou gravitationnelle. Il est donc très difficile à détecter et a échappé aux premiers expérimentateurs : il a fallu 25 ans avant que Clyde Cowan et Frederick Reines, en 1956, réussissent à le détecter. En 1962, Leon Lederman, Melvin Schwartz et Jack Steinberger mettent en évidence par des expériences plus précises l'existence de deux types de neutrino : l'un est associé à l'électron et s'appelle neutrino électronique, l'autre est associé au muon et s'appelle neutrino muonique.

Leon Lederman (né en 1922), physicien américain, professeur à l'Université Columbia. En collaboration avec Melvin Schwartz et Jack Steinberger, il produit des faisceaux de neutrino de haute énergie, utilisés pour tester l'interaction électrofaible, et montre qu'il existe deux types de neutrino : l'un associé à l'électron et appelé neutrino électronique, l'autre associé au muon et appelé neutrino muonique. Prix Nobel de physique en 1988.

Melvin Schwartz (né en 1932), physicien américain, professeur aux universités de Columbia et de Stanford. En collaboration avec Leon Lederman et Jack Steinberger, il met au point une méthode de production de faisceaux intenses de neutrinos, grâce à laquelle il découvre le neutrino muonique. Prix Nobel de physique en 1988.

Jack Steinberger (né en 1921), physicien américain d'origine allemande, professeur à l'Université Columbia, chercheur au CERN (Genève). En collaboration avec Leon Lederman et Melvin Schwartz, il met en évidence le neutrino muonique. Prix Nobel de physique en 1988.

La théorie de l'interaction électrofaible a jeté une nouvelle lumière dans le mécanisme de désintégration du muon : le muon émet un boson W- et se transforme en neutrino muonique, le boson W- se transforme en électron et anti-neutrino électronique.

Diagramme de Feynman de la désintégration du muon :
μ- → e- + νe + νμ

Le calcul des diagrammes de Feynman permet l'estimation de la durée de vie du muon, qui reproduit correctement les données expérimentales.
Grâce au modèle des quarks de Gell-Mann et à la théorie électrofaible, on peut comprendre le mécanisme de désintégration β du neutron (qui est constitué par les quarks udd) : un des quarks down émet un boson de jauge W- et se transforme en quark up. Le boson de jauge W- se transforme à son tour en électron et antineutrino électronique. Le hadron qui reste est le proton constitué par les quarks uud.

Diagramme de Feynman de l'interaction faible entre les quarks d et u : d → u + e- + νe

La théorie de Fermi qui explique la désintégration du neutron (n → p + e- + ν) peut se comprendre en terme d'interaction faible agissant entre les quarks.

La théorie électrofaible prédit l'existence du boson Z0, qui peut véhiculer l'interaction faible entre des particules électriquement neutres comme les neutrino. Ce type d'interaction, appelé « courants neutres », est mis en évidence en 1973 au CERN par une équipe dirigée par André Lagarrigue.

André Lagarrigue (1924-1975), physicien français. En 1973, au CERN, il met en évidence les courants neutres et apporte une première confirmation de la théorie électrofaible.

Diagramme de Feynman des courants neutres : les neutrinos muoniques peuvent interagir avec des électrons par l'intermédiaire des bosons Z0.

La mise en évidence des courant neutres à marqué une avancée vers la validation de la théorie électrofaible. La théorie électrofaible a été confirmée par d'autres expériences et notamment en 1983 au CERN avec la découverte des bosons W et Z par une équipe dirigée par Carlo Rubbia et Simon van der Meer.

Carlo Rubbia (né en 1934), physicien italien, professeur aux universités de Pise, Columbia et Rome. Il met en évidence en 1983, au CERN (Genève), les particules W+, W- et Z0, confirmant ainsi la théorie électrofaible. Prix Nobel de physique en 1984.

Simon van der Meer (né en 1925), ingénieur hollandais, inventeur du principe de refroidissement stochastique indispensable pour maintenir un fort faisceau d'antiprotons grâce auquel les particules W+, W- et Z0 ont été mises en évidence au CERN. Prix Nobel de physique en 1984.

Le boson de Higgs n'a aujourd'hui pas encore été détecté, mais par les expériences de l'accélérateur Large Hadron Collider (LHC) qui auront lieu au CERN en 2008 on espère le mettre en évidence.

La théorie électrofaible est-elle renormalisable ? Au premier abord, il semble que oui puisque c'est une théorie de jauge du type Yang-Mills basée sur un groupe de Lie SU(2)xU(1). Mais le mécanisme de Higgs complique les choses. Finalement, elle l'est mais la démonstration est difficile : il a fallu une grande inspiration à Martinus Veltman pour poser ce problème et un grand talent mathématique à Gerardus 'tHooft pour le résoudre. En conclusion, une théorie de jauge Yang-Mills avec brisure spontanée de symétrie est renormalisable.

Gerardus 'tHooft (né en 1946), physicien hollandais, professeur à l'Université d'Utrecht. Avec Martinus Veltman, il montre en 1971 que la théorie électrofaible est renormalisable. Prix Nobel de physique en 1999.

Martinus Veltman (né en 1931), physicien hollandais, professeur aux universités d'Utrecht et Michigan. En collaboration avec son étudiant Gerardus 'tHooft, il démontre que les théories avec mécanisme de Higgs sont renormalisables. Prix Nobel de physique en 1999.

La théorie électrofaible connaît un grand succès. Comment a-t-on réussi à mélanger deux interactions avec des intensités aussi différentes que l'interaction électromagnétique et l'interaction faible ? Le mécanisme de Higgs donne une masse au boson W alors que le photon reste de masse nulle. L'interaction faible est donc de courte portée alors que l'interaction électromagnétique reste de longue portée.

Si l'on se place à une échelle d'énergie plus grande que celle du boson W, les intensités des deux interactions sont comparables. Par contre, si l'échelle d'énergie est inférieure à celle du boson W (autour de 100 GeV), le fait que ce dernier possède une masse produit une diminution spectaculaire de l'intensité effective avec laquelle interagissent les particules. Ceci n'est pas valable pour le photon qui est une particule de masse nulle. Ainsi, à l'échelle de basses énergies, l'interaction faible se trouve 10 000 fois plus faible que l'interaction électromagnétique.

Évolution de l'intensité des interactions faible et électromagnétique en fonction de l'énergie.

Dans ce cas, la théorie électrofaible se réduit à la théorie de Fermi, la majeure contribution aux calculs des processus de l'interaction faible vient des diagrammes de Feynman où les distances de propagation du boson W dans l'espace-temps sont extrêmement courtes.

Dans le domaine des basses énergies (ou grandes distances), la théorie électrofaible se réduit à la théorie de Fermi de l'interaction ponctuelle.

On retrouve une fois de plus le même scénario : les théories physiques s'imbriquent comme des poupées russes : les théories nouvelles généralisent les théories anciennes, qui restent valables comme cas particuliers des premières.