Les scientifiques espèrent toujours trouver la théorie de grande unification qui désigne la théorie physique susceptible de décrire de manière cohérente de l'ensemble des trois interactions fondamentales (nucléaire forte, nucléaire faible et électromagnétique).

Toutefois, en 1967, Sheldon Lee Glashow, Mohammad Abdus Salam et Steven Weinberg (prix Nobel 1979), ont décrit l'interaction électrofaible qui unifiait :

• l'interaction électromagnétique,
  -l'interaction nucléaire faible.

Sheldon Lee Glashow, Mohammad Abdus Salam et Steven Weinberg
(lors de la remise du Nobel de physique en 1979 )

Vue d'ensemble de l'interaction électrofaible

Lorsque l'univers était plus chaud et plus dense (énergie > 100 GeV, pendant l'ère électrofaible), l'interaction électromagnétique et l'interaction nucléaire faible auraient été les deux facettes d'une même interaction appelée " électrofaible ".

Pourtant, ces deux forces paraissent inconciliables bien qu'elles dépendent de l'énergie à laquelle on les considère.

1. La force électromagnétique :

• est de portée infinie (observable macroscopiquement),
• croît lentement avec l'énergie,
• est médiée par le photon, particule sans masse.

2. La force de l'interaction faible :

• est concevable uniquement à l'échelle atomique,
• croît très rapidement avec l'énergie des particules en présence,
• est médiée par les bosons W± et Z0, particules massives (100 fois la masse du proton).

Séparation des quatre forces fondamentales

Par contre, vers une centaine de GeV, ces deux forces possèdent le même ordre de grandeur.

• Dans le modèle standard à haute température, les symétries ne sont pas brisées et les particules sont sans masse.
• La force gravitationnelle est encore plus faible mais elle croît encore plus vite avec l'énergie que l'interaction faible, ce qui laisse ouverte la possibilité d'une unification de toutes les interactions élémentaires.

Comment la matière s'organise-t-elle et sous quelles forces ? Dans ce second article sur les mécanismes fondamentaux de la matière, Élucid vous propose de mieux comprendre les forces à l’œuvre dans les noyaux atomiques et la diversité de l'univers qui nous entoure.

1 - Atomes : au cœur de la matière
2 - Les forces nucléaires à l'origine des éléments chimiques
3 - Stabilité et instabilité : Fusion, Fission et Radioactivité
4 - Fabriquer un élément : les alchimistes modernes
I. La force nucléaire

La force fondamentale régissant la matière est la force nucléaire qui attire les nucléons (i.e les protons et les neutrons qui composent le noyau) entre eux et maintient la cohésion du noyau, permettant de créer les atomes. Transmise par les gluons à l’intérieur des nucléons (qui ont un rayon d’environ 0,8 fm (femtomètre ou fermi, valant 10-15 m), elle a différentes particularités :

• à plus de 2,5 fm de distance, la force nucléaire devient faible, et elle est négligeable au-delà de 4 fm ;
• à 1,3 fm, distance typique des nucléons d’un noyau, la force nucléaire connait son maximum, générant une attraction extrêmement intense ;
• en dessous de 0,8 fm, la force nucléaire s’inverse selon le principe d’exclusion de Pauli et devient très fortement répulsive, empêchant les nucléons de s’effondrer les uns sur les autres. Ils se « collent », mais gardent une très faible distance entre eux.

Ainsi, la force nucléaire n’agit qu’à de très courtes distances, d’environ 3 à 4 fois le diamètre des nucléons, ce qui a des conséquences importantes pour les gros noyaux, comme nous le verrons dans les sections à venir.

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