Particules - les interactions, les forces et leur intermédiaire

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INTERACTIONS ou FORCES

Les BOSONS

Particules intermédiaires impliquées dans les interactions.

Deux particules chargées électriquement s'attirent avec 10⁴⁰ fois plus de vigueur que ne le fait la gravitation. La force électromagnétique est la colle principale des objets et êtres vivants qui nous entourent.

Les quatre Interactions FONDAMENTALES
Force de gravité: Interaction gravitationnelle	Pesanteur, marées. Elle soude les planètes, les étoiles, les galaxies, sans limite de portée. Elle gouverne le mode d'expansion de l'Univers dans son ensemble.
Force électromagnétique: Interaction électromagnétique	Électricité, magnétisme, lumière. Réactions chimiques et biologiques. Elle soude atomes et molécules. Elle étend son influence à la structure des molécules géantes.

Métaphore du lancer de boules sur patins

Histoire

Deux personnes immobiles sur une patinoire.

L'un lance une boule à l'autre.

Il part en arrière sous l'effet du recul.

L'autre part également en arrière sous l'effet de la réception de l'objet.

Les deux personnes s'éloignent l'une de l'autre.

Moralité: la boule a été le médiateur d'une force de répulsion entre les deux personnes.

Analogie avec la force de répulsion d'un aimant et son interaction électromagnétique par l'intermédiaire du boson nommé photon.

Personne sur skates avec balle lourde

À gauche: lancer-rattraper, les deux joueurs s'éloignent.

À droite: les deux tirent et se repprochent.

English corner

A good analogy of this exchange of messenger boson particles is as follows: Two skaters stand still on an ice rink facing each other, one throws a ball to the other and they start to move apart. They continue to throw the ball and move further apart. This demonstrates two same electrically charged particles (the skaters) forcing each other apart by exchanging photons (balls), the carrier of the electromagnetic force. With some forces however the message may tell the skaters that they need to get closer or even change what they are entirely.

Source: May the electroweak force be with you

Voici une bonne analogie relative aux échanges entre bosons, les particules messagères de force: Deux patineurs, face à face, se tiennent immobiles sur une patinoire. L'un lance une balle à l'autre et ils se mettent à s'éloigner. Ils continuent à se lancer la balle et ils se séparent davantage.

Cela montre que deux mêmes particules chargées électriquement (les patineurs) se séparent en échangeant des photons (balles), témoins de la force électromagnétique.

Cependant, selon le type de force, le message peut indiquer aux patineurs qu’ils ont besoin de se rapprocher ou même de changer complètement ce qu’ils sont.

Voir Ballon et quarks / Sable et champ de Higgs

Force nucléaire forte:

Interaction forte

Elle soude les noyaux des atomes.

Elle déploie ses effets sur des distances extraordinairement petites (10 ^-13 cm).

Mais avec une puissance colossale: 10 ³⁷ fois plus que la gravitation; quarante fois la force les forces électromagnétiques à ces échelles.

Force nucléaire faible ou de Fermi:

Interaction faible

Elle n'est responsable d'aucune structure stable dans la nature.

Radioactivité bêta.

Permet au Soleil de briller.

Voir Bosons / Synthèse graphique / Boson de Higgs

FORCES

Principe de la soudure entre particules

En associant deux éléments, la force transforme en énergie une partie de leur masse. Cette énergie, dite de liaison, est éjectée dans l'espace, généralement sous forme de photons.

Voir Niveaux d'énergie et photons

Le système ainsi constitué est moins massif que la somme des deux éléments initiaux. Ce système est aussi plus complexe. Les photons transportent avec eux l'entropie à payer pour cette phase d'organisation.

Les trois premières forces jouent un triple rôle:

Elles cimentent les structures organisées de la matière (les liens crées transforment de la matière massive en photons lumineux);

Ces photons sont porteurs d'énergie pour la construction de systèmes plus complexes encore; et, ces photons portent aussi l'entropie à dégager pour accompagner la croissance de la complexité.

Force nucléaire forte et force électromagnétique

Pourquoi ça marche dans l'atome? C'est comme si on s'accrochait fort pour rapprocher les deux pôles opposés des aimants et que tout à coup, en se rapprochant vraiment, ils finissent par s'attirer et on ne peu plus les séparer.

Pyramide de complexité

Les structures échelonnées sur la pyramide de la complexité doivent leur cohésion à l'existence des forces de la nature.

Mais pour créer la variété et la diversité, l'action de ces forces doit s'exercer dans des conditions de déséquilibre, de surfusion par rapport aux grandes forces structurantes (ex: cristaux de neige).

Autrement dit, la matière ne succombe que très partiellement aux forces naturelles!

Hors du contexte d'équilibre, les résultats des événements de la nature sont partiellement imprévisibles.

De là émerge l'inédit du présent.

- ??

- Organismes

- Cellules

- Biomolécules

- Molécules simples

- Atomes

- Nucléons

- Électrons, quarks

- ??

INTERACTIONS
*Force*	*Portée*	*Action* *Sur*	*Particule* *d'échange*	*Intensité*	*Manifestations*
ÉLECTRO- MAGNÉTIQUE	Infinie (Décroissance en d²)	Électrons Quarks	Photon	10^-2 (exact: 1/137)	Lumière Atomes Molécules Réactions chimiques
FORTE ou NUCLÉAIRE	10^-13 cm ( noyau)	Quarks	Gluon	1	Protons Neutrons Réactions nucléaires
FAIBLE	10^-16 cm ( noyau)	Électrons Neutrinos Quarks	Boson W	10^-5	Désintégration des neutrons Diffusion des neutrinos
GRAVITE	infinie (Décroissance en d²)	Tout	Graviton	10^-40	Planètes Étoiles Galaxies Cosmologie

Il n'y a que quatre forces dans la nature. Les rumeurs sur une cinquième n'ont pas résisté à l'analyse critique.

La force gravitationnelle et la force électromagnétique se font sentir à grande distance (la Lune "sent" l'attraction de la Terre).

Les deux autres forces n'entrent en action qu'au moment où les particules se rejoignent. Plaçons deux protons à une faible distance l'un de l'autre. Les quatre forces s'exercent, mais avec des intensités différentes. Le tableau ci-dessus donne les intensités relatives, en prenant la force nucléaire (dite forte) égale à 1.

Les physiciens estiment que ces quatre forces ne sont que quatre manifestations d'une seule super-force. Elles se seraient séparées après le bigbang. Voir Unification

Force faible

La force faible est très discrète.

Découverte la dernière vers 1930.

Elle change la saveur d’un quark, elle désintègre un neutron en proton et change les électrons en neutrinos.

Neutron se désintégré en Proton, Électron et Neutrino.

Le neutrino n'est sensible qu'à la force faible.

Voir Carbone 14

Force de gravité

Toujours attractive.

Agit sur toute forme d'énergie donc de masse.

Intensité extrêmement faible (la plus faible des quatre interactions).

Effets perceptibles sur des corps très massifs, comme les planètes et les étoiles.

Force forte

Elle est cent fois plus foret que la force électromagnétique.

Sans elle, les protons du noyau, chargés positivement, se repousseraient inéluctablement.

Théorie de la CHROMODYNAMIQUE QUANTIQUE

Champ gluonique

Jamais isolés, les quarks vont par paires ou par triplets.

Explication possible en leur donnant 3 couleurs, indépendamment de leur saveur (charge, isospin…)

Les baryons sont blancs: 1 bleu + 1 jaune + 1 rouge

La chromodynamique quantique tente d'unifier toutes les interactions autres que la gravitation (théories unifiées).

Bien sûr, on cherche à les unifier toutes. C'était un axe de recherche d'Einstein.

Unification des forces – Vers la théorie du tout

Voir Unification électrofaible et bosons de Higgs

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Sites	Les particules élémentaires et les forces entre elles : bref état de nos connaissances actuelles (2016) – Bernard Ille Elementary Particles – Koss Kortland
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