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Chapitre 9 • Les quatre interactions fondamentales, la relativité générale
Les deux quarks les plus présents dans la matière environnante sont les quarks « u »
(pour up) et « d » (pour down). La charge électrique de ces quarks est différente :
+ 2e/3 pour le quark u, et -e/3 pour le quark d. Ainsi, le baryon « uud » porte bien
une charge +e (c'est le proton), et le baryon « udd »est bien neutre électriquement
(c'est le neutron).
La charge de l'interaction forte n'est pas la charge électrique, c'est la charge de
couleur. Il existe en fait trois charges de « couleur » : rouge, bleu, vert (ces couleurs
n' ont évidemment rien à voir avec les couleurs de la lumière). Chacun des six quarks
existe en trois couleurs (et trois anti-couleurs pour les six anti-quarks). Comme en
électromagnétisme, les charges de couleur identiques se repoussent et les charges de
couleur opposées s'attirent. Les hadrons sont des assemblages de quarks de couleur
« blanche » (équivalent à la neutralité électrique). Comme exemples remarquables,
on peut citer les nucléons (protons et neutrons) qui sont des assemblages de trois
quarks (c' est-à-dire des baryons) de couleurs différentes, et les pions qui résultent de
l'assemblage d'un quark et d'un antiquark (ce sont donc des mésons).
L'interaction forte est la plus intense des quatre interactions fondamentales au niveau microscopique. Comme pour l 'électromagnétisme, son intensité peut s'exprimer sous la forme d'une constante de couplage qui est le quotient de l'interaction
forte entre deux nucléons distants de Àcompton par l'énergie de masse au repos d'un
nucléon:
2
gF
ŒForte = - ::::: 15
ne
(9.21)
où gp est une constante intervenant dans l' expression du potentiel de Yukawa V (r) =
g}exp [-r/ À.Compton J fr décrivant 1 ' interaction forte entre nucléons.
Sa portée est très courte : les quarks n'existent que sous forme liée. L'interaction
forte est très intense en dessous de 1015 m , mais rapidement négligeable au-delà. Il
en résulte un con.finement des quarks dans les hadrons.
Les particules médiatrices de 1 'interaction forte entre quarks sont les «gluons ».
Il existe huit gluons différents. Ils sont «colorés», c'est-à-dire qu'ils portent une
charge de couleur comme les quarks. Ils sont donc sensibles à l'interaction qu'ils véhiculent, contrairement aux photons qui véhiculent l' interaction électromagnétique
entre charges électriques mais ne portent pas eux-mêmes de charge électrique. Ainsi,
à l' instar de l' interaction gravitationnelle en relativité générale, la théorie de l'interaction forte entre quarks (la chromodynamique quantique) est non-linéaire, ce qui
complique sérieusement son étude.
Comme en électromagnétisme, il existe une force résiduelle : c'est la force nucléaire entre hadrons qui résulte de l' échange de pions entre les nucléons. 11 existe
trois types de pions médiateurs : JI+, II- , et IJ 0 .
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Les deux quarks les plus présents dans la matière environnante sont les quarks « u »
(pour up) et « d » (pour down). La charge électrique de ces quarks est différente :
+ 2e/3 pour le quark u, et -e/3 pour le quark d. Ainsi, le baryon « uud » porte bien
une charge +e (c'est le proton), et le baryon « udd »est bien neutre électriquement
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La charge de l'interaction forte n'est pas la charge électrique, c'est la charge de
couleur. Il existe en fait trois charges de « couleur » : rouge, bleu, vert (ces couleurs
n' ont évidemment rien à voir avec les couleurs de la lumière). Chacun des six quarks
existe en trois couleurs (et trois anti-couleurs pour les six anti-quarks). Comme en
électromagnétisme, les charges de couleur identiques se repoussent et les charges de
couleur opposées s'attirent. Les hadrons sont des assemblages de quarks de couleur
« blanche » (équivalent à la neutralité électrique). Comme exemples remarquables,
on peut citer les nucléons (protons et neutrons) qui sont des assemblages de trois
quarks (c' est-à-dire des baryons) de couleurs différentes, et les pions qui résultent de
l'assemblage d'un quark et d'un antiquark (ce sont donc des mésons).
L'interaction forte est la plus intense des quatre interactions fondamentales au niveau microscopique. Comme pour l 'électromagnétisme, son intensité peut s'exprimer sous la forme d'une constante de couplage qui est le quotient de l'interaction
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où gp est une constante intervenant dans l' expression du potentiel de Yukawa V (r) =
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Sa portée est très courte : les quarks n'existent que sous forme liée. L'interaction
forte est très intense en dessous de 1015 m , mais rapidement négligeable au-delà. Il
en résulte un con.finement des quarks dans les hadrons.
Les particules médiatrices de 1 'interaction forte entre quarks sont les «gluons ».
Il existe huit gluons différents. Ils sont «colorés», c'est-à-dire qu'ils portent une
charge de couleur comme les quarks. Ils sont donc sensibles à l'interaction qu'ils véhiculent, contrairement aux photons qui véhiculent l' interaction électromagnétique
entre charges électriques mais ne portent pas eux-mêmes de charge électrique. Ainsi,
à l' instar de l' interaction gravitationnelle en relativité générale, la théorie de l'interaction forte entre quarks (la chromodynamique quantique) est non-linéaire, ce qui
complique sérieusement son étude.
Comme en électromagnétisme, il existe une force résiduelle : c'est la force nucléaire entre hadrons qui résulte de l' échange de pions entre les nucléons. 11 existe
trois types de pions médiateurs : JI+, II- , et IJ 0 .
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