Interaction nucléaire faible

[invited28a8464]

Bonjour à tous

J'essaye depuis quelques jours de comprendre comment fonctionne l'interaction nucléaire faible, et je dois avouer que je me sens un peu perdu, les informations que je trouve sur le net étant souvent incomplètes, voire parfois contradictoires.

Voilà ce que je crois avoir compris:
Lorsque deux quarks sont très proches l'un de l'autre, il vont s'échanger un boson W (un peu comme un flux de gluons). Ce boson va rapidement se désintégrer en un électron et un antineutrino (ou positron et neutrino) et au passage un des deux quarks impliqué dans l'interaction changera de saveur (up <-> down).

Mes questions:
- Est-ce que cette vision du phénomène est correcte ?
- Comment se décide quel quark doit changer de saveur, pourquoi les quarks impliqués dans l'interaction faible ne changent pas tous les deux de saveur.
- J'ai trouvé une animation sur le net qui présente l'interaction faible différemment: lorsqu'un neutrino s'approche d'un quark, le neutrino émet un boson W vers le quark, le quark change alors de saveur et le neutrino devient un positron. Cette vision est-elle correcte ?
- Si ma façon de voir les choses est à côté de la plaque ou trop incomplète, pouvez-vous m'expliquer chaque étapes d'une interaction faible (idéalement dans le cas d'un phénomène courant comme la fusion proton-proton)

Je ne suis pas physicien, certaines explications trop poussées me seront inaccessibles, donc merci de vulgariser au maximum.
Je vous remercie d'avance pour vos éléments de réponses, vous êtes les meilleurs
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[ThM55]

Bonjour. Je pense que c'est plus simple que cela. Prenons l'exemple de la désintégration du neutron en proton, électron et antineutrino. Le neutron est composé de 3 quarks ddu. L'interaction faible couple les quarks et les leptons aux bosons de jauge dont, en effet, le W-moins. Le d est de charge -1/3. Il émet un W-moins, de charge -1 et, par conservation de la charge, il se change en u, de charge -1/3+1=2/3. Mais cela n'a rien à voir avec l'interaction entre les quarks, ni dû au fait qu'ils sont très proches. Ils le sont à cause de l'interaction forte qui cause leur confinement dans les nucléons, pas à cause de l'interaction faible.

Notre W-moins se désintègre en électron (toujours conservation de la charge) et antineutrino (par conservation du nombre leptonique).

La réaction présentée dans la vidéo que vous évoquez est une interaction très similaire, mais avec un neutrino incident. Dans la désintégration du neutron, il n'y a pas de neutrino incident, il y a un antineutrino dans l'état final.

"Comment se décide quel quark doit changer de saveur": la mécanique quantique nous dit que c'est aléatoire. Il y a une "amplitude de probabilité" pour que tel ou tel quark émette un boson. C'est imprédictible, on peut juste prédire la probabilité que cela se produise à tel ou tel moment. On peut imaginer que les quarks sont constamment en interaction avec un champ de bosons et qu'à tout instant on tire à pile ou face pour savoir si le boson va être émis. Cela se produit très rarement, ce qui explique pourquoi cette interaction est dite "faible".

[ThM55]

Complément, car on peut aborder la question sous un autre angle: "Comment se décide quel quark doit changer de saveur". Dans le neutron, le u est le quark qui a la plus faible masse. Il ne peut donc pas se désintégrer de cette manière, car il devrait faire un quark masse plus faible, qui n'existe pas.

On pourrait alors se demander pourquoi le d du proton ne fait pas la même chose (il ne le fait jamais! le proton est stable, on n'a jamais vu le moindre proton se désintégrer par interaction faible). L'explication est beaucoup plus subtile et fait intervenir le principe de Pauli. A cause de ce principe il n'existe pas d'état fondamental uuu de spin 1/2 (et de charge +2) vers lequel devrait aller le proton après désintégration. Je ne peux pas élaborer ce point davantage, je ne sais pas comment vulgariser cela. D'autres auront peut-être une idée?

[ThM55]

Je dois ajouter aussi qu'avec ces quelques exemples, on ne fait qu'effleurer le sujet de l'interaction faible. Loin de moi le désir de vous décourager, mais c'est beaucoup plus compliqué que ces exemples simples.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invited28a8464]

Il y a un point que j'ai néanmoins du mal à comprendre : puisque l'interaction faible n'est pas causée par la proximité entre deux quarks, alors qu'est ce qui déclenche cette interaction faible ?
Je crois comprendre que l'interaction faible se produit dans les noyaux instables dus à un excès de neutron ou de proton, mais comment se traduit cette instabilité concrètement (je croyais initialement que cette instabilité se traduisait par une plus grande proximité entre quark).
Pour résumer, je crois comprendre l'effet mais je ne comprends pas la cause.

[ThM55]

Si je comprends bien, vos questions "qu'est ce qui déclenche cette interaction faible" et "je crois comprendre l'effet mais je ne comprends pas la cause" sont des questions relatives à la causalité. Mais en mécanique quantique, on ne raisonne plus en terme de cause et d'effet.

Je prends un autre exemple, qui est peut-être plus familier, celui de l'interaction électromagnétique (qui a d'ailleurs été unifiée avec l'interaction faible). Pensez au modèle de Bohr de l'atome d'hydrogène. L'électron a un état fondamental. Il peut absorber un photon incident et passer à un état excité. Il a alors une certaine probabilité par unité de temps pour émettre un photon et retourner dans son état fondamental. C'est vraiment similaire avec l'émission d'un boson de jauge de l'interaction faible; en fait c'est quasi la même chose, à part la masse nulle du photon et sa durée de vie infinie.

Mais qu'est ce qui "cause" l'émission du photon à tel ou tel moment? Cela vient du fait qu'il y a dans les lois de la dynamique quelque chose (on appelle cela une perturbation) qui fait que l'état excité n'est pas vraiment un état stationnaire. La mécanique quantique traite ce terme de perturbation et à tout moment permet l'émission du photon avec une certaine probabilité pour que cela se produise (ou non) dans le prochain intervalle de temps. Il y a même une règle de calcul très pratique en première approximation, due au physicien Enrico Fermi, appelée "règle d'or de Fermi", qui permet d'évaluer cette probabilité dans de nombreuses situations concrètes.

Si vous vous placez le long d'une route peu fréquentée pour faire du stop, disons que vous verrez passer une voiture toutes les 5 minutes en moyenne. Mais c'est aléatoire: parfois l'attente entre deux voitures ne sera que de 30 seconds, d'autres fois il faudra attendre 20 minutes. On ne sait pas pourquoi mais on imagine qu'il y a des causes pour lesquelles une voiture passe là à un moment donné: quelqu'un doit aller au travail, une autre personne a un rendez-vous chez le médecin. Cela nous apparaît aléatoire parce que nous ne nous ne connaissons pas toutes ces causes individuelles. Pour le photon ou le boson de jauge, c'est différent: la mécanique quantique semble nous dire qu'il n'y a pas de cause individuelle, le phénomène est intrinsèquement aléatoire. Et s'il existe une cause sous-jacente en tout cas je crois que personne ne la connais à l'heure actuelle.

[doul11]

Bonjour,

Intéressantes explications sur la nature intrinsèquement aléatoire de physique quantique.

la mécanique quantique semble nous dire qu'il n'y a pas de cause individuelle, le phénomène est intrinsèquement aléatoire. Et s'il existe une cause sous-jacente en tout cas je crois que personne ne la connais à l'heure actuelle.

[stefjm]

Quelle est la loi de probabilité de la physique intrinsèquement aléatoire?

[ThM55]

Pour une désintégration simple (une seule espèce de source de désintégration), c'est une loi de Poisson.

[stefjm]

Merci. J'avais un doute entre Poisson et exponentielle et je dois encore raté un truc...