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L’interaction faible est l’une des trois interactions élémentaires décrites par le Modèle Standard. Affectant tous les fermions, elle est responsable du phénomène de désintégration radioactive. Pour la première fois, une équipe américaine de physiciens a réussi à isoler et mesurer cette interaction entre des protons et des neutrons.

Grâce à une expérience neutronique unique au laboratoire national Oak Ridge (USA), des physiciens expérimentaux ont mesuré la force faible entre les particules au cœur de l’atome. L’interaction faible est l’une des trois interactions élémentaires décrites par le Modèle Standard, aux côtés de l’électromagnétisme et de l’interaction forte.

L’observation de l’équipe, décrite dans la revue Physical Review Letters, parachève des décennies de travail avec un appareil appelé NPDGamma. La première phase de l’expérience s’est déroulée au laboratoire national de Los Alamos (LANL). S’appuyant sur les connaissances acquises au LANL, l’équipe a transféré le projet à l’ORNL afin de tirer parti de l’intensité élevée du faisceau de neutrons produit par la source de neutrons, par spallation. La spallation est une réaction nucléaire engendrée par des particules accélérées avec une très grande énergie : le noyau atomique bombardé explose, en éjectant des particules plus légères.

Cette vidéo présente l’interaction faible et ses propriétés :

Les protons et les neutrons sont constitués de particules plus petites appelées quarks, liées entre elles par l’interaction forte. L’interaction faible agit sur tous les types de fermions, tandis que l’interaction forte agit entre les quarks à l’intérieur des nucléons (un dérivé de l’interaction forte, la force nucléon-nucléon, agit également entre neutrons et protons).

L’interaction faible relie également la rotation axiale et la direction du mouvement des particules nucléaires, révélant ainsi des aspects subtils de la manière dont les quarks se déplacent à l’intérieur des protons et des neutrons.

« Le but de l’expérience était d’isoler et mesurer un composant de cette interaction faible, qui se traduisait par des rayons gamma pouvant être mesurés et vérifiés avec une grande précision statistique » déclare David Bowman, co-auteur et chef de l’équipe de physique des neutrons à l’ORNL. « Il est nécessaire de détecter beaucoup de rayons gamma pour observer cet effet minuscule ».

dispositif experience neutrons

Schéma du dispositif de l’expérience NPDGamma. Crédits : D. Blyth et al. 2018

L’expérience NPDGamma, la première à avoir été réalisée sur la ligne de faisceau de physique fondamentale des neutrons à SNS, a dirigé les neutrons froids vers une cible d’hydrogène liquide. L’appareil a été conçu pour contrôler la direction de rotation des neutrons à déplacement lent. Lorsque les neutrons manipulés ont percuté la cible, ils ont interagi avec les protons contenus dans les atomes d’hydrogène liquide, émettant des rayons gamma mesurés par des capteurs spéciaux.

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Après avoir analysé les rayons gamma, les scientifiques ont découvert une asymétrie violant la parité, qui est un changement spécifique du comportement de la force entre un neutron et un proton. « Si la parité était conservée, un noyau tournant à droite et un noyau à gauche – comme des images inversées – produirait un nombre égal de gammas directionnels » explique Bowman. « Mais, en fait, nous avons observé plus de gammas down que de gammas up, ce qui a permis d’isoler et de mesurer avec succès une composante asymétrique en miroir de la force faible ».

direction rayons gamma

L’interaction faible a la propriété de violer les symétries P et CP. La désintégration bêta n’est donc pas symétrique sous des transformations de parité, impliquant une direction privilégiée des émissions gamma. Crédits : Helen Klus

Les scientifiques ont mené l’expérience plusieurs fois pendant environ deux décennies, en comptant et en caractérisant les rayons gamma, ainsi qu’en recueillant des données sur ces événements, sur la base de la direction du spin des neutrons et d’autres facteurs. L’intensité élevée du SNS, ainsi que d’autres améliorations, ont permis un taux de comptage presque 100 fois supérieur à celui du précédent centre de sciences de Los Alamos Neutron.

« Il y a une théorie pour la force faible entre les quarks à l’intérieur du proton et du neutron, mais la façon dont la force forte entre les quarks se traduit par la force entre le proton et le neutron n’est pas entièrement comprise » indique W. Michael Snow, co-auteur et professeur de physique nucléaire expérimentale à l’Université d’Indiana. « C’est toujours un problème non résolu ».

Il compare la mesure de la force faible en relation avec la force forte comme une sorte de traceur, similaire à un traceur en biologie, qui révèle un processus d’intérêt dans un système sans le perturber. « L’interaction faible nous permet de révéler certaines caractéristiques uniques de la dynamique des quarks dans le noyau d’un atome » conclut Snow.

Source : Physical Review Letters

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