Interaction forte

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Image:GonioX.jpg Cet article concernant la science fait partie de la série physique

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L'interaction forte, ou force forte (appelée parfois force de couleur), est une des quatre interactions fondamentales de la physique. Seuls les quarks et les antiquarks sont affectés par cette force qui est portée par des bosons appelées gluons (de la même façon que la force électromagnétique est portée par les photons). Cette force forte maintient les quarks ensemble pour former les hadrons, tels que les protons ou les neutrons. Un effet dérivé de cette force est responsable de la cohésion des nucléons (protons et neutrons) au sein du noyau de l'atome.

La théorie qui décrit cette interaction forte est la chromodynamique quantique, aussi appelée par son acronyme anglais QCD (Quantum ChromoDynamics). D'après cette théorie, chaque quark porte une charge de couleur qui peut être de trois sortes: « bleue », « verte » ou « rouge ». Ces « couleurs » ne sont juste que des noms et n'ont rien à voir avec les couleurs dans le sens habituel. Les antiquarks de leur côté portent une anti-charge « antibleue », « antiverte » ou « antirouge ». Un hadron ne peut exister que si sa couleur totale est neutre ou « blanche » (ce que l'on appelle aussi un singlet de couleur). Ainsi un méson est composé d'une paire quark-antiquark qui ne peut être que « bleue »-"antibleue", « verte »-"antiverte" ou « rouge »-"antirouge". De même un baryon est formé de trois quarks (ou trois antiquarks) qui devront porter chacun une couleur différente « bleue », « verte » et « rouge » (ou « antibleu », « antiverte » et « antirouge »), la somme des trois couleurs étant neutre.

Les gluons, intermédiaires de l'interaction forte, portent pour leur part à la fois une couleur et une anti-couleur (par exemple bleu-antirouge, ou vert-antivert). Il y a 9 possibilités d'associations de couleur-anticouleur mais seulement 8 gluons, pour des raisons mathématiques liées à la symétrie de jauge SU(3) à la base de la chromodynamique quantique (très brièvement, la combinaison linéaire bleu-antibleu + vert-antivert + rouge-antirouge est totalement neutre et ne peut pas correspondre à un gluon). L'interaction d'un gluon avec un quark va modifier la couleur de ce dernier: un gluon bleu-antirouge arrivant sur un quark rouge va le transformer en quark bleu; ou encore un quark vert pourra emettre un gluon vert-antirouge en devenant rouge. Une conséquence de ce mécanisme est que la charge de couleur d'un quark donné va changer de manière continuelle par échange de gluons avec ses voisins, mais la charge totale d'un système isolé de particules sera conservée au cours du temps. Ainsi la paire quark-antiquark d'un méson rouge-antirouge initialement pourra devenir vert-antivert (par échange d'un gluon rouge-antivert), puis bleu-antibleu, etc., seule la somme des couleurs restera neutre.

Une caractéristique particulière de l'interaction forte est qu'elle agit aussi sur ses propres particules vecteur, c'est-à-dire les gluons, du fait de leur charge de couleur. Ce n'est pas le cas des autres interactions fondamentales, le photon par exemple n'est pas chargé électriquement (en fait l'interaction faible présente une caractéristique similaire, de part la charge des W⁺ et W^-, mais les conséquences sur cette interaction sont négligeables). Pour l'interaction forte, cette caractéristique a pour conséquence une portée très réduite de cette force, de l'ordre du diamètre d'un hadron (~ 1 fm). Une autre conséquence est que la force augmente proportionnellement avec la distance entre deux quarks, à la différence des autres interactions où la force est proportionelle à l'inverse de la distance au carré. Si l'on cherche à séparer deux quarks on devra exercer une force de plus en plus grande au fur et à mesure que la distance augmentera, comme si l'on tirait sur un ressort. À un moment on aura fourni assez d'énergie pour créer de nouveaux quarks ou antiquarks qui vont s'associer aux quarks initiaux pour créér de nouveaux hadrons (pour continuer l'analogie: le ressort se casse et on obtient deux ressorts au lieu d'un).

Ceci explique le fait que l'on ne peut pas observer un quark seul, toute tentative pour isoler un quark (ou un gluon) amène à la création de nouveaux quarks qui vont former un hadron avec le premier. Ce phénomène est appelé confinement. Parallèlement à ceci, deux quarks très proches ne vont quasiment pas interagir entre eux et seront libres (comme les deux bouts d'un ressort détendu), c'est ce que l'on appelle la liberté asymptotique.