Interaction faible
Au début du XXe siècle, la découverte de la radioactivité conduit à l'étude de la désintégration β, qui est une transmutation radioactive (transformation d'un élément chimique en un autre) : certains éléments se transforment en l'élément situé une case à droite dans le tableau périodique de Mendeleïev. Mais des mesures plus précises de ce phénomène soulèvent un problème : les produits qui sortent de la réaction ont une énergie légèrement inférieure à ceux qui y entrent, défiant la loi de la conservation de l'énergie. D'éminents physiciens, comme Niels Bohr, allèrent jusqu'à accepter que cette loi ne s'appliquait pas dans le cas de la désintégration β. Mais en 1930, Wolfgang Pauli émet l'hypothèse que ce léger manque d'énergie est dû à l'émission d'une particule de masse très faible, de charge électrique nulle, qui interagit très faiblement et est donc difficile à détecter. Wolfgang Pauli l'appela d'abord « neutron ». Enrico Fermi la rebaptise « neutrino » (en italien : petit neutron) à la suite de la découverte par Chadwick d'une autre particule neutre mais relativement lourde, le neutron. Il a fallu 25 ans pour que Clyde Cowan et Frederick Reines, en 1956, réussissent à détecter le neutrino.
Wolfgang Pauli (1900-1958), physicien suisse d'origine autrichienne, professeur à l'Institut Fédéral de Technologie (ETH) de Zurich et à l'Institut of Advanced Study Princeton. Il énonce le principe d'exclusion qui porte son nom, émet l'hypothèse du neutrino, qui apparaît dans la désintégration β. Prix Nobel de physique en 1945.
Enrico Fermi (1901-1954), physicien italien, professeur aux université de Rome, Columbia et Chicago. Il pose les premières bases de la théorie de l'interaction faible, découvre les neutrons lents, et propose la statistique quantique des fermions (appelée Fermi-Dirac). Il émigre en 1938 aux Etats-Unis où il étudie la fission nucléaire, réalise le premier réacteur nucléaire et est un des principaux acteurs du projet Manhattan qui vise à construire la bombe atomique. Enrico Fermi est le dernier physicien à avoir apporté une contribution exceptionnelle à la fois à la physique théorique et à la physique expérimentale. Prix Nobel de physique en 1938.
Clyde Cowan (1919-1974), physicien américain, capitaine dans l'US Air Force. En 1956, en collaboration avec Frederick Reines, il met en évidence le neutrino. C'est Frederick Reines qui recevra le Prix Nobel de physique en 1995 au nom des deux expérimentateurs.
Frederick Reines (1918-1998), physicien américain. Il travaille au laboratoire de Los Alamos, est professeur au Case Institute of Technology (Ohio) et à University of California at Irvine. En collaboration avec Clyde Cowan, il détecte le neutrino. Il construit des détecteurs de neutrino et est un des pionniers de l'astronomie des neutrino. Prix Nobel de physique en 1995.
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, et qu'elle résulte d'une nouvelle interaction : l'interaction faible, de portée très courte et d'intensité très faible, 106 fois plus faible que l'intensité de l'interaction forte entre deux nucléons.
Tous les phénomènes physiques s'expliquent par ces quatre types d'interactions fondamentales. Par exemple, les forces d'interaction entre les molécules de gaz, appelées forces van der Waals, sont l'effet de l'interaction électromagnétique. Dans le cas particulier des molécules de gaz formées d'un seul atome, la force van der Waals résulte de l'attraction réciproque entre le noyau d'un atome et le nuage électronique d'un autre atome, de la répulsion entre les noyaux des atomes et de la répulsion entre les nuages électroniques des atomes.
La force van der Waals est l'effet de l'interaction électromagnétique. Dans le cas de deux molécules monoatomiques, elle est l'effet de l'attraction réciproque entre le noyau d'un atome et le nuage électronique d'un autre atome, de la répulsion entre les noyaux des atomes et de la répulsion entre les nuages électroniques des atomes.
Il n'existe pas de raison fondamentale pour que le nombre d'interactions fondamentales soit limité à quatre. Des expériences physiques pourraient peut-être dans le futur montrer qu'il en existe d'autres dans la Nature.
La physique est une science expérimentale et prédictive. Pour décrire de manière cohérente les particules élémentaires et leurs interactions fondamentales, et pour faire des prédictions quantitatives, il faut construire des théories physiques fondées sur des formalismes mathématiques.