Comment les nucléons sont-ils liés dans le noyau atomique ?

Depuis le début du XX^e siècle, on sait que le noyau atomique est composé de deux particules : les protons et les neutrons, appelés plus généralement « nucléons ». Par la suite, les particules constituant ces nucléons, les quarks, ont été identifiés.

Avec l’avènement de la théorie quantique des champs et de la chromodynamique quantique, l’interaction nucléaire forte, la force assurant la cohésion des quarks, a pu bénéficier d’une description complète et élégante. Cependant, la question du phénomène liant les nucléons au sein du noyau atomique s’est révélée moins évidente. Quelle est donc la nature de cette force ?

I. Émergence et découverte

À partir de 1932, date de la découverte du neutron, la physique nucléaire prend un nouvel essor dans la recherche d’une compréhension toujours plus aboutie du modèle atomique. Durant la même année, dans son « Uber den Bau der Atomkerne », Werner Heisenberg postule un modèle quantique pour l’interaction entre nucléons dans le noyau atomique. Pour lui, le neutron et le proton sont une même particule dont seul l’isospin nucléaire diffère.

Cependant, c’est le physicien Hideki Yukawa qui, en 1934, dans un article intitulé « Meson theory in its development », propose un modèle d’interaction entre nucléons faisant intervenir un boson particulier : le méson. Quelques temps plus tard, en 1939, l’expérimentation lui donnera raison et attribuera son nom au potentiel attaché à la liaison nucléon-nucléon : le potentiel de Yukawa. Dans les années suivantes, les modèles mésoniques se développeront, notamment sous l’impact de la chromodynamique quantique, et contribueront à décrire de manière plus précise les schémas d’interaction mésonique entre nucléons.

II. Principe de fonctionnement

La force nucléaire ou encore interaction N-N, agit à une distance entre nucléons supérieure à 0.7 fm (fm pour femtomètre; 1 fm = 1 x 10^-15 m) et devient nulle au-delà de 2 fm. En dessous de 0.7 fm, elle devient répulsive en vertu du principe d’exclusion de Pauli si les particules ont des spins identiques. Donc, entre 0.7 fm et ~1.7 fm, l’interaction N-N est attractive et surpasse la force de Coulomb (force répulsive entre particules de même charge) ; et celle-ci ne redevient significative qu’au-delà de 1.7 fm.

C’est pourquoi les protons peuvent être confinés au sein du noyau. La force nucléaire n’est pas assujettie à la charge électrique des particules cibles, elle est ainsi indépendante de la charge. En revanche, elle dépend du spin de ces mêmes particules. Dans le cas de deux nucléons possédant des spins parallèles, en dessous de 0.7 fm, le principe d’exclusion de Pauli reprend le dessus. Pour des nucléons possédant des spins antiparallèles, le principe d’exclusion ne s’oppose pas à l’interaction N-N et les nucléons seront fortement liés (c’est l’exemple du deutéron, le noyau du deutérium).

L’interaction est portée par des bosons composites (composés d’une paire quark-antiquark) que s’échangent les nucléons ; il s’agit donc d’une interaction un peu particulière, puisqu’elle est réalisée au moyen de hadrons et non de bosons élémentaires. Ces bosons composites sont des mésons virtuels, plus précisément des mésons pi (Pions) (spin 0), des mésons rho (spin 1) et des mésons oméga (spin 1). Ces deux derniers mésons sont responsables de la dépendance au spin de l’interaction N-N.

III. Source de l’interaction N-N

En l’état actuel des connaissances, la force nucléaire est décrite comme une extension de l’interaction nucléaire forte (INF). D’ailleurs, le nom d’« interaction nucléaire forte résiduelle » lui est parfois donné. L’interaction nucléaire forte est une des quatre interactions élémentaires et est responsables de la cohésion des quarks à l’intérieur des hadrons via l’échange de gluons. Si les interactions gluoniques sont puissantes entre les quarks, elles deviennent pratiquement négligeables à l’échelle du hadron lui-même.

Cependant, une partie résiduelle du champ chromodynamique (le champ quantique à l’origine de l’INF) du nucléon s’étend, avec une intensité extrêmement faible mais suffisante, au nucléon le plus proche et assure ainsi la cohésion inter-nucléon au sein du noyau atomique. Si le concept est aisément compréhensible, la description formelle s’avère en revanche encore profondément complexe, ayant même donnée naissance à une nouvelle théorie dédiée : l’hadrodynamique quantique.