L’interaction forte est l’une des trois forces fondamentales du modèle standard au côté de l’interaction électromagnétique et de l’interaction faible. Cette interaction agit sur les particules porteuses d’une charge de couleur tels que les quarks et antiquarks. Les porteurs de l’interaction sont les gluons qui en sont les bosons. En assurant une neutralité de la couleur, cette force maintient les quarks ensemble pour former les hadrons. Selon le type de quarks qui composent un hadron, on parlera de baryons (trois quarks) ou de mésons (paires quark/antiquark). Cependant, elle ne fut pas mise en évidence de cette façon, étant donnée que nous n’avons suspecté l’existence des quarks que seulement dans les années 1964, et que les forces qui les gouvernent seulement en 1974. Historiquement, nous avons compris son existence en observant l’existence du noyaux atomique;
La force responsable de la liaison des nucléons (neutrons, protons) dans les noyaux atomiques est un effet dérivé de l’interaction forte qu’on appelle la force nucléaire ou la force forte résiduelle. Elle peut être interprétée comme l’échange de mésons légers entre les nucléons (pions par exemple). Un autre dérivé de cette force est la liaison nucléaire, phénomène qui assure la cohésion d’un noyau atomique. La répulsion coulombienne tend à séparer les protons ayant une même charge électrique, la cohésion des noyaux étant une des conséquences de l’interaction forte. Une compréhension de cette force entre les nucléons permet de comprendre par exemple la vallée de la stabilité des noyaux atomiques, ainsi que la notion de noyau magique ou doublement magique puisque plus stable.
L’interaction forte affecte uniquement les hadrons et les gluons eux même, mais pas les leptons. En affectant les gluons, la force nucléaire forte est la seule interaction fondamentale à affecter les bosons qui la transportent. Par exemple, les photons n’ont pas de charge électrique et ne sont donc pas affectés par les champs électromagnétiques, les gravitons, particules hypothétiques de la gravité, sont prévus sans masse mais peuvent interagir avec eux-mêmes, et même si les bosons W+ et W- de l’interaction faible possèdent une charge électrique, les conséquence sur la force nucléaire faible sont négligeables.
En ce qui concerne la portée de l’interaction forte, elle est d’environ 10^-15 mètres, ce qui représente la taille d’un noyau atomique. La portée est cent fois plus importante que pour l’interaction faible, mais négligeable comparée à celles de la force électromagnétique et de la gravité. Le fait que les gluons eux mêmes interagissent avec l’interaction forte, explique la portée limitée de cette dernière, et explique également un phénomène appelé « confinement » (1*). l’interaction forte est la plus forte des interactions devant la force électromagnétique, possédant une constante de couplage (2*) 100 fois supérieure à cette dernière, un million de fois celle de la force nucléaire faible, et 10^39 fois celle de la gravitation.
D’après la théorie, l’intensité de l’interaction forte tend vers 0 lorsque la distance tend vers 0 également. On appelle ce phénomène « liberté asymptotique » (3*). Il permet aux quarks de se déplacer librement à l’intérieur des hadrons. Contrairement aux autres forces, l’intensité augmente lorsque la distance augmente (contrairement aux autres forces qui diminuent comme le carré de la distance), et au dessus d’une certaine limite, l’énergie devient suffisante pour créer des paires quarks-antiquarks qui reforment des hadrons, propriété déjà abordée plus haut que nous appelons « le confinement de couleur » ou confinement.
Voici le schéma de ce qui se trouve à l’intérieur d’un hadron (neutron en l’occurrence). On distingue les trois quarks le composant, deux quarks up et un quarks down, ainsi que les six gluons, étant les charges de couleur et médiateurs de la force qui lie les quarks entres eux.
Entamons à présent la deuxième partie plus « technique » concernant l’interaction forte. Nous allons détailler des termes tels que « confinement des couleurs », « constante de couplage », « liberté asymptotique » ou encore « chromodynamique quantique ».
1*) Tout d’abord, définissons précisément ce que signifie « confinement des couleurs » car ce terme est nécessaire pour comprendre la nature des quarks ainsi que des gluons. Les particules élémentaires sont définissables à travers des propriétés quantiques, telles que la charge électrique, la masse, le spin que nous avons vu dans le chapitre sur le modèle standard des particules. De même que ces différentes spécificités, la charge de couleur est également une propriété quantique intrinsèque aux particules élémentaires tels que les quarks, les antiquarks et les gluons.
En revanche, les quarks sont des particules qui ne peuvent pas être isolées et sont observables uniquement avec d’autres particules, de telle sorte que la combinaison formée soit blanche, c’est à dire une une charge de couleur nulle. Cette propriété est à l’origine des hadrons.
Lorsque nous essayons de séparer un quark de ses semblables, dans un proton par exemple, nous remarquons que la force augmente au fur et à mesure qu’on étire les quarks loin les uns des autres. Admettons que cela soit possible, que se passerait-il si nous arrivions à séparer un quark des autres ? En brisant l’interaction qu’il y a entre eux, beaucoup d’énergie serait alors produite par la réaction, et cette énergie se transformerait immédiatement en matière, formant de la sorte, un tout nouveau couple quark/antiquark. Par conséquent, nous aurions bien réussi à retirer le quark du proton, mais celui ci ne serait toujours pas seul, car il est serait à un nouvel antiquark.
2*/3*) Il serait très compliqué d’expliquer sans rentrer dans des détails très compliqués ce qu’est la liberté asymptotique. Nous allons donc en premier lieu, parler de chromodynamique quantique (ou QCD comme diminutif de Quantum chromodynamics).
Cette théorie décrit l’interaction forte, et d’après cette dernière, les quarks et les antiquarks correspondants sont confinés dans les particules qu’ils constituent, impossible donc d’en observer à l’état libre. La charge de couleur, dont nous parlions plus haut, peut être bleue, verte, rouge, antibleue, antiverte ou antirouge pour une antiparticule. Il arrive très fréquemment dans l’univers, qu’un quarks perde sa charge de couleur au détriment d’une nouvelle, il émet alors un gluon, ce dernier portant la charge de couleur en question, ainsi que l’anticouleur de la nouvelle charge de couleur portée à présent par le quark. Un gluon, porte toujours une charge de couleur standard, et une anticharge.
Cosmologie, Univers et Physique 