Once in a while, I adapt in French one of my posts for the French-speaking people on Steemit. This time, I choose to discuss [the mysteries of the weak interactions](https://steemit.com/science/@lemouth/particle-physics-on-steemit-the-weak-interactions) that I had covered a few weeks ago. 

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<center>![beta07bce.png](http://www.steemimg.com/images/2017/02/14/beta07bce.png)
<sub> [image credits: [wikipedia](https://en.wikipedia.org/wiki/Weak_interaction)]</sub></center>
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Les interactions faibles jouent un rôle crucial sur la structure de l’univers, et en fait sur tout ce qui est. 

On a ici affaire à l’une des quatre forces fondamentales de la nature, les autres étant la gravité, l’électromagnétisme et les interactions fortes et je vais dédier cet article à la découverte de cette force et à la façon dont sa description théorique a évolué avec le temps.

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## LES INTERACTIONS FONDAMENTALES DU MONDE MICROSCOPIQUE ##

Plus d’informations sur les interactions fondamentales se trouvent dans deux de mes anciens articles, [ici](https://steemit.com/science/@lemouth/quantum-mechanics-lessons-on-steemit-2-particles-interactions-and-conservation-laws) et [là](https://steemit.com/science/@lemouth/the-bestiary-of-particle-physics-this-is-how-i-introduced-particle-physics-to-cern-summer-students). Je vais du coup juste me contenter d’un petit résumé en guise d’introduction.

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<center> ![gravityapple6b66b.jpg](http://steemimg.com/images/2016/08/13/gravityapple6b66b.jpg)
<sub> [image credits: [Discover Magazine](http://discovermagazine.com/2013/julyaug/23-20-things-you-didnt-know-about-gravity)]</sub></center>
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Bien qu’au niveau macroscopique, nous avons différentes sortes d’interactions (c’est-à-dire dans la vie de tous les jours), il y a seulement **quatre différentes sortes d’interactions au niveau des constituants fondamentaux de la matière.**

Parmi ces quatre force, **la gravité ne joue aucun rôle**. La force des interactions fondamentales est proportionnelle à la masse des corps qui interagissent, et les masses des particules élémentaires est si faible que la gravité peu être ignorée. Ce que nous allons faire.

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<center> ![](http://steemimg.com//images/2016/08/13/magnet11627cb9.jpg)
<sub> [image credits:  [Science Kids](http://www.sciencekids.co.nz/images/experiments/magnet116.jpg)]</sub></center>
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Les interactions électromagnétiques sont très connues depuis fort longtemps, grâce en particulier à leur portée infinie qui est l’une des raisons de leur découverte. Et ce malgré le fait que les effets électromagnétiques sont masqués dans la vie de tous les jours vu que la matière est principalement électriquement neutre.

Cette force joue un rôle central pour expliquer la structure de la matière, décrivant notamment comment les électrons et les noyaux atomiques interagissent.

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<center>![](http://steemimg.com/images/2016/08/13/thesune9038.png) ![](http://steemimg.com/images/2016/08/13/index_protonfe22d.jpg) 
<sub> [image credits: [Fermilab](http://home.fnal.gov/~cheung/rtes/RTESWeb/LQCD_site/pages/weakforce.htm), [Nobel Prize](http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2004/illpres/)]</sub></center>
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La portée des interactions fortes et faibles est beaucoup plus petite, et il a fallu attendre plus longtemps pour découvrir ces forces dans les études de la **radioactivité**. Les interactions fortes sont importantes pour expliquer la structure des noyaux atomiques et comment les nucléons (*i.e.*, les protons et les neutrons) sont construits à partir des quarks et gluons élémentaires.

Je vais me concentrer dans ce post sur la dernière force dont je n’ai pas vraiment encore parlé, **la force faible**.

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## LA FORCE FAIBLE EN 5 MINUTES ##

La force faible est une force 100.000 fois plus faible que l’interaction forte, et n’a aucun impact sur la structure de la matière. Cela est bien sûr totalement différents des cas des interactions fortes et électromagnétiques.

Le rôle de cette force est de permettre à certaines particules de se **désintégrer les unes en les autres**, mais d’une façon assez lente. Par exemple, la force faible permet les **désintégrations beta** où un type de particules se désintègrent en un autre type de particules, le tout accompagné de l’émission de plusieurs autres particules plus légères.

Par exemple, un neutron peut se transformer en un proton plus léger via une désintégration beta. Plus précisément, le neutron se désintègre en un proton, un électron et un neutrino,

 n  → p e<sup>—</sup>  ν<sub>e</sub>

Le processus ci-dessus est rendu possible grâce aux interactions faibles, et il a joué un rôle primordial dans la modélisation théorique des interactions faibles.

Les désintégrations beta ont des conséquences très importantes. Par exemple, le soleil brûle lentement grâce aux interactions faibles, de sorte qu’il a laissé le temps à la vue sur terre de se développer et à l’être humain d’émerger.

Parmi les autres conséquences importantes des désintégrations beta, on peut citer la diversité des éléments chimiques dont les plus lourds ont pu se former dans les étoiles grâce aux interactions faibles.

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## DE HAHN ET MEITNER A PAULI ET AU NEUTRINO ##

Toute notre histoire a démarré avec un problème de 1911. **Hahn et Meitner étudiaient les désintégrations de noyaux atomiques en autres noyaux atomiques**. Comme les noyaux sont faits de protons et neutrons, il s’agissait en fait une façon d’étudier la désintégration de neutrons en protons, *i.e.*, la réaction montrée ci-dessus. Cependant, pas de neutrons à cette époque. Et pas de neutrino non plus!

Hahn et Meitner pensaient en fait étudier la réaction 

 A  → B e<sup>—</sup>

où A et B dénotent deux noyaux atomiques (A étant le plus lourd des deux).

Hahn et Meitner étudiaient les propriétés de l’électron final, comparant les données aux prédictions théoriques. A l’aide de la conservation de l’énergie-impulsion, on peut calculer **l’énergie de notre électron**.

Sa valeur est bien définie et unique et est donnée par la différence entre les noyaux final et initial.

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<center>![betaspec2ae88.gif](http://www.steemimg.com/images/2017/02/14/betaspec2ae88.gif)
<sub> [image credits: [the T2K experiment](http://t2k-experiment.org/neutrinos/a-brief-history/betaspec/)]</sub></center>
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Mais ce n’est pas ce qui était observé. **De nombreuses valeurs étaient en fait mesurées, et on se trouvait avec un spectre en énergie de l’électron non trivial, en contradiction avec les prédictions**.

Cela est illustré sur l’image de gauche pour la désintégration de carbone en azote. La ligne rouge est ce que nous pouvons attendre grâce à la conservation de l’énergie et de l’impulsion. Par contre, le spectre en bleu est ce qui serait observé dans une expérience.

On a ici un désaccord, mais le concept de la conservation de l’énergie-impulsion est impossible à abandonner vu que satisfait **partout**. Par conséquence, on avait affaire á un phénomène nouveau.

Pauli a proposé une explication 20 ans plus tard, suggérant qu’une **troisième particule était mis en jeu, mais qu’elle était totalement invisible**. Du coup, il y avait deux particules pour se partager l’énergie relâchée par la désintégration du noyau lourd. La vraie réaction qui se passait était en fait

 A  → B e<sup>—</sup> ν<sub>e</sub>

Afin d’obtenir un accord théorie-expérience, les propriétés de la troisième particule sont bien spécifiques: il faut qu’elle **soit très légère et faiblement interagissante**. C’est ainsi que le neutrino a été postulé pour la première fois, même si son nom est venu plus tard.

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## CHADWICK, FERMI ET LA THEORIE DE FERMI ##

J’ai pour le moment discuté du statut expérimental au dé\but des années 30, mais les physiciens devaient encore construire la théorie sous-jacente. Le premier pas dans cette direction fut de façon surprenante encore une fois expérimental. **Chadwick a découvert le neutron en 1932, ce qui a permis à Fermi de développer de façon plus précise l’idée de Pauli**.

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<center>![4pointd23a7.png](http://www.steemimg.com/images/2017/02/14/4pointd23a7.png)
<sub> [image credits: homemade]</sub></center>
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Les noyaux sont faits de protons et neutrons, et la réaction ayant lieu dans une désintégration beta est en fait celle de la transformation d’un neutron en proton plus léger, comme déjà dit ci-dessus,

  n  → p e<sup>—</sup>  ν<sub>e</sub>

Fermi a modélisé la réaction ci-dessus en considérant une **interaction de contact, où à quatre points** mettant en jeu quatre particules. La forme exacte de cette interaction (illustrée dans le diagramme de Feynman à droite) est contrainte par les données, mais cette forme a changé au cours du temps au fur et à mesure des nouvelles données et des discussions entre physiciens.

De façon plus précise, nous avions au départ la proposition de Fermi ainsi que d’autres options tout aussi possible théoriquement, et le seul moyen de faire le tri n’est autre qu’un étude des données.

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<center>![wu62d32.jpg](http://www.steemimg.com/images/2017/02/14/wu62d32.jpg)
<sub> [image credits: [Wikipedia](https://en.wikipedia.org/wiki/Wu_experiment)]</sub></center>
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En 1956, Lee et Yang ont montré qu’il n’y avait aucune preuve que les interactions faibles conservaient une symétrie appelée parité, (qui n’est pas une symétrie de la nature vu qu’en fait non conservée). Pour plus d’informations, un petit coup d’oeil [ici](https://steemit.com/science/@lemouth/fr-le-retour-de-l-antimatiere-la-symetrie-cpt-et-la-revanche-du-moment-magnetique-de-l-antiproton). **Wu et ses collaborateurs ont réagi à ceci et prouvé que la parité n’était pas conservé dans les interactions faibles. Son expérience est montrée ici à gauche.

Cela a permis de partir des modèles de Fermi et de ses compétiteurs de l’époque et de se rendre compte qu’il fallait les généraliser pour leur permettre de violer la parité. De nouveaux paramètres ont donc fait leur apparition dans la théorie et tout une série d’expériences en 1957-1958 se sont mis à essayer de les contraindre. Les données ont favorisé à la fin la structure dite V-A des interactions faibles proposée par Marshak/Sudarshan et Feynman/Gell-Mann. 

La théorie V-A a été couronnée de succès vu que la phénoménologie associée se trouve être en accord avec chaque expérience conçue dans les années suivantes la conception de cette théorie.

**Mais cela ne peut pas être la fin de l’histoire**.

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## VERS LA THEORIE DE GLASHOW-SALAM-WEINBERG ##

Le problème de la théorie de Fermi, ou la théorie V-A, est très simple.

Cette théorie peut être utilisée pour calculer des prédictions qui incluent notamment des taux de production liées à des processus faibles.

**Ces taux se trouvent être croissants avec l’énergie**. Mais la théorie quantique des champs ne permet pas d’augmentation infinie, de sorte que la théorie V-A doit se casser la figure à une énergie plus ou moins haute.

**Il est donc clair que la théorie est incomplète**.

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<center>![Wexchangec4313.png](http://www.steemimg.com/images/2017/02/14/Wexchangec4313.png)
<sub> [image credits: homemade]</sub></center>
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La solution à ce problème vient à la base de Yukawa qui l’a suggérée il y a longtemps, mais qui a en fait été concrétisée par Glashow, Salam et Weinberg en 1968. 

Ils ont réécrit l’interaction à quatre points de Fermi comme un **échange d’une particule plus lourde, un boson faible véhiculant les interactions faibles**. Il s’agit en fait du boson W découvert en 1983 au CERN, et la théorie complète est la théorie de jauge des interactions faibles.

Si l’énergie du processus est faible, l’échange du boson W ressemble sous tous les aspects à une interaction à quatre point. Mais si l’énergie du processus est large, la théorie V-A se casse la figure et seul l’échange de bosons W doit être considéré pour les calculs,

Il y a cependant un autre boson faible dans la nature, le boson Z, mais ca, c’est le sujet d’un prochain article!

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## RESUME ##

Dans cet article, j’ai détaillé l’histoire des interactions faibles. J’ai parlé des problèmes des désintégrations nucléaires il y a 100 ans, et j’ai détaillé brièvement les activités théoriques qui en ont découlé.

Plusieurs physiciens célèbres se sont penchés sur ce problème avant d’arriver à une théorie satisfaisante. La première tentative fut la théorie de Fermi qui a été depuis remplacée par la théorie de jauge des interactions faibles qui est en accord avec toutes les données.

Il reste cependant un épisode à cette histoire, parlant des interactions électrofaibles qui seront discutées dans un prochain post.

Pour plus d’informations, ne pas hésiter à lire:
 * [Le livre de Veltman](http://www.worldscientific.com/worldscibooks/10.1142/5088): très bonne approche pour toute personne non dans le domaine;
 * [Peskin et Schroeder](https://www.amazon.ca/Introduction-Quantum-Field-Theory/dp/0201503972): la référence pour de très nombreux cours dans de très nombreuses universités.