Questionnement sur les mésons pi et l'interaction faible

[Lachankla]

Bonjour à tous,

Certaines questions me hantent depuis quelques temps, à propos des mésons pi et de l'interaction faible. Pour commencer, les mésons pi qui sont censés assurer la stabilité du noyau atomique (via échange de pions entre les nucléons) au nombre de trois, sont tous composés au moins d'une antiparticule. Mais comment un nucléon peut-il "créer"/"envoyer" des quarks sous forme de méson et plus particulièrement un antiquark ? Pour le pion neutre ensuite, même si sa durée de vie est faible, comment peut-il même exister et être échangé entre les nucléons puisqu'il est composé d'un quark et de l'antiquark associé (up et antiup par exemple) ? Dernière question et je vous laisse tranquille j'ai lu que l'échange de pion chargé pouvait changer la nature du nucléon, et cela me fait bizarrement penser aux bosons W+ et W- qui sont responsables de la radioactivité bêta, il y a t-il un lien ? (même si les bosons W ne sont pas constitué de quarks il me semble puisque ce sont des bosons de jauge). Voilà ça fit beaucoup de questions en un seul poste et j'en suis navré mais sur internet je n'arrive pas à trouver les réponses à mes questions ! Merci beaucoup de m'avoir lu et bonne continuation
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[Quarkonium]

Salut,

On va y aller progressivement : déjà quand on parle de la stabilité du noyau et d'échange de pions, on parle de l'interaction forte et non de l'interaction faible. Tout d'abord, il faut garder à l'esprit que le véritable boson vecteur de l'interaction forte est le gluon (qui est a priori une particule élémentaire) et non le pion (qui est, comme tous les mésons, un particule composite formée d'un quark et d'un antiquark). Le gluon étant coloré, comme les quarks, il reste confiné à l'intérieur du hadron (baryons, mésons et autre états plus exotiques faites de quarks et de gluons).

Un gluon peut se désintégrer en une paire quark-antiquark. Si l'antiquark créé est de couleur complémentaire avec l'un des quark du nucléon (antirouge avec rouge, antivert avec vert, antibleu avec bleu), ils peuvent former un pion qui va donc s'en aller, et éventuellement interagir avec un autre nucléon.

[Quarkonium]

Pour le pion neutre : il suffit que le quark et l'antiquark qui forment l'état lié soient de même saveur (up ou down), je ne vois pas le problème : pourquoi ne pourrait-il pas exister ?

L'échange d'un pion chargé entre un proton et un neutron va "échanger leur nature" : le proton va devenir un neutron, et vice-versa. Cela est dû à l'interaction d'un quark up d'un des deux nucléons avec un quark down de l'autre via l'échange d'un pion chargé. En réalité, cette interaction fait appel à d'autre protagonistes, les gluons, puisque l'un d'entre eux est nécessaire pour créer l'antiquark requis afin de former un méson. Cependant, cette interaction ne viole pas la conservation de la saveur : un gluon générera toujours une paire up-antiup ou down-antidown (cela vaut également pour les autres saveurs de quarks, mais cela ne nous concerne pas ici).
Lors d'une désintégration beta, l'interaction faible via un boson de jauge chargé (W+ ou W-) peut violer la conservation de la saveur, et donc transmuter les quarks : ainsi un quark down peut se transformer en quark up en émettant un boson W-, changeant donc un neutron en proton (avec émission d'un électron et d'un antineutrino électronique issus de la désintégration du W-) : c'est la désintégration beta-.

[Lachankla]

D'accord je comprends, en fait je me posais la question par rapport au pion neutre car étant donné que le méson est composé de quarks de même saveur mais charges opposées, je pensais que l'attraction coulombienne ne permettrait pas l'existence de ce pion qui se serait désintégrer instantanément. Et je comprends maintenant à peu près la différence entre l'échange de "nature" et la transmutation de saveur. Mais si le gluon se désintègre cela signifie t-il qu'il est instable ? Et si oui pourquoi les gluons qui lient les quarks ne désintègrent-ils pas alors ? Merci en tous cas de m'avoir répondu et bonne soirée ^^

[A voir en vidéo sur Futura]

[Quarkonium]

Dans les hadrons, c'est l'interaction forte qui commande, pas l'interaction électromagnétique (parce qu'elle est beaucoup plus forte ). Le méson pi0 se désintègre en un temps très court à notre échelle, mais relativement long par rapport à la durée de vie de la plupart des autres hadrons.

Le gluon n'a pas de masse, il se déplace donc à la vitesse de la lumière : cependant, aucun ne s'échappe de son hadron parent: il doit donc se désintégrer rapidement. Les gluons ne sont pas des "cordes" qui tiennent les quarks liés entre eux. Les quarks interagissent entre eux via l'échange de gluons, qui sont les bosons de jauge vecteurs de l'interaction forte. De par la nature de l'interaction forte, plus deux quarks sont éloignés, plus ils vont être attirés l'un vers l'autre : c'est la particularité de l'interaction forte qui amène au confinement des partons (quarks, gluons) à l'intérieur des hadrons.

[Lachankla]

Ok donc maintenant l'existence du méson pi neutre me parait beaucoup plus clair merci xD ! Cependant je dois avouer que je n'ai pas totalement compris la désintégration du gluon, s'il n'a pas de masse est ce que c'est grâce à sa vitesse qu'il peut se désintégrer en particules possédant une masse ? (comme dans le LHC je crois , ou je me goure complètement peut-être ) ou bien c'est autre chose qui rentre en jeu ? Désolé d'insister autant

[Quarkonium]

C'est plutôt la quantité de mouvement ou l'énergie cinétique qu'il faut regarder dans le cas d'une particule non massive.

Les particules sans masse ont toutes la même vitesse : c, ce n'est donc pas une très bonne grandeur pour les comparer. En revanche, leur quantité de mouvement, et donc leur énergie, peuvent tout de même différer. Par exemple, deux photons dans le vide se déplacent à c, mais l'un peut être plus énergétique que l'autre : cela peut être relié à leur différence de fréquence/longueur d'onde : un photon plus énergétique qu'un autre aura une fréquence plus élevée. Je ne sais pas si on peut associer un équivalent de la fréquence aux gluons, mais ce n'est pas très important vu qu'on travaille plutôt avec leur énergie.

Donc une particule massive aura d'un côté une énergie cinétique associée à sa quantité de mouvement, et de l'autre côté une masse qui est AUSSI une forme d'énergie en relativité.
Une particule non massive n'aura que de l'énergie cinétique. Mais comme tout cela reste de l'énergie, elle pourra également se désintégrer en créant des particules massives (à condition que son énergie soit au moins égale à la masse des particules produites).

[Lachankla]

Mais alors j'en viens à une autre question, les photons d'une très petite longueur d'onde (rayon gamma par exemple) peuvent-ils dans certains cas se désintégrer en particules massives ?

[Quarkonium]

Tout à fait. Passé l'énergie d'environ 1MeV (début des photons gamma), ces derniers peuvent se désintégrer en une paire électron/positron (en interagissant avec d'autres particules). Un photon ayant plus d'énergie pourra également créer d'autres particules plus massives.

[Lachankla]

Ok super, merci d'avoir répondu à toutes mes questions, je pense ne plus en avoir (pour le moment du moins). Bonne soirée !