b) L'interaction électrofaible (modèle de Glashow-Salam-Weinberg)

Afin de relier les interactions faibles et électromagnétiques, les physiciens sont partis d’un constat: l’interaction faible est responsable de la désintégration bêta et de la capture électronique. L’équation d’une désintégration b s’écrit :

n --> e- + p + ne

La désintégration b consiste donc en la transformation instantanée d’un neutron en un proton, un électron et un anti-neutrino de l’électron (particule non chargée qui existe seulement pour la conservation de l’énergie). La charge électrique est donc bien conservée.
Le phénomène de capture électronique consiste en l’absorption par un proton d’un électron, ce qui aboutit à un neutron et l’anti-neutrino de l’électron. On a donc:

p + e- --> n + ne

Il y a donc réaction entre des hadrons et des leptons (électron). En fait, ce sont les quarks des hadrons qui réagissent, c’est pourquoi l’interaction faible est nommée interaction de saveur : elle agit sur un neutron (ou sur un proton) et change la saveur d’un des quarks: elle change un quark down en un quark up (ou l’inverse), transformant ainsi un neutron en proton (ou réciproquement).
Les expériences sur la théorie ef ont montré que l’électron et son anti-neutrino jouaient des rôles « symétriques » dans ces réactions, c’est à dire qu’ils pouvaient être permutés sans changer le phénomène du à l’interaction faible.

Afin de rendre cette symétrie plus concrète, les physiciens ont inventé un outil physique, nommé isospin. Chaque particule peut donc etre caractérisée par une valeur différente d’isospin. Isospin de l’électron :+1/2 ; Isospin de ne: -1/2. On a créé un espace abstrait afin de représenter l’invariance des permutations e/ne. En fait, cette symétrie est une invariance par rapport à la valeur de l’isospin. L’espace créé est l’espace d’isospin.
Si l’on place dans cet espace l’électron et ne, on peut les faire tourner de 90° sur eux-mêmes sans altérer les effets de l’interaction faible.
En fait, seule la symétrie globale est réelle, on doit changer les 2 particules, sinon un proton plus un électron pourrait donner un neutron et un électron, ce qui est impossible dans la nature (car la charge électrique n’est pas conservée).
On peut donc dire que l’interaction faible est invariante par symétrie d’isospin seulement à la charge électrique près.
Il y a donc une liaison entre l’interaction faible et l’interaction électromagnétique: la symétrie locale d’isospin change la charge électrique. Cependant, si l’on cherche quand même à regarder ce qui se passe avec une symétrie locale d’isospin, les équations aboutissent sur l’existence de quatre champs.
Deux de ces champs sont électriquement neutres, un est chargé positivement et un chargé négativement. Un des champs est constitué de particules neutres, de masse nulle et de spin égal à un. Ces caractéristiques sont celles du boson porteur de la force électromagnétique: le photon. Les trois autres champs sont caractéristiques de l’interaction faible. Ainsi, ces deux interactions en forment en fait une seule : l’interaction électrofaible. De plus, c’est grâce à la force électromagnétique que la symétrie locale d’isospin est correcte.

Au départ, les bosons responsables de l’interaction faible devaient avoir une masse nulle, ce qui était impossible car leur portée est limitée. En fait, on s’est aperçu qu’ils avaient des masses différentes. Parmi ces trois champs, 2 sont logiques: ils sont composés de bosons nommés W+ et W-, qui ont chacun respectivement une charge positive et négative, le meme spin (1)et la même masse (80 GeV).
Ainsi, l’existence de particules chargées est impliquée par le fait que l’invariance d’isospin a un rôle sur la charge électrique. L’existence du dernier champ, composé d’un boson de charge nulle, de spin 1 et de masse de 90GeV, a été découverte plus tard. On note ce boson Z0.

Pour comprendre pourquoi les interactions faible et électromagnétique semblent séparées à première vue, on peut faire une analogie avec le magnétisme du fer. En fait, le fer peut passer d’une phase de paramagnétisme à une phase de ferromagnétisme. Dans le premier cas, le fer est un aimant, dans le deuxième cas il ne l’est pas. En fait, il est intéressant de remarquer que cette transition d’un état à l’autre est dû à la température. Au delà d’une certaine température, la température de Curie, le fer perd ses propriétés magnétiques. On a découvert que chaque atome de fer se comportait comme un miniscule aimant.
On explique ainsi le magnétisme du fer:

Ainsi, c’est une brisure de symétrie qui est à l’origine d’un changement d’état. C’est le même principe avec l’interaction électrofaible : un phénomène de brisure de symétrie intervient, décomposant ainsi cette interaction en 2.

Cette brisure spontanée de symétrie serait due au fait qu’en dessous d’un certain niveau d’énergie (1000 GeV), de nouveaux champs apparaissent, les champs de Higgs, dont les quanta sont les bosons de Higgs. Ils modifient la symétrie de l’interaction faible. A hautes énergies, leurs effets ne sont pas décelables, mais en dessous de 1000 Gev, ils provoquent la brisure de symétrie. De plus, ils font acquérir aux autres bosons responsables de la force faible une masse, alors qu’ils n’en ont pas à haute énergie et ont donc une portée infinie, d’où la confusion des théoriciens au début des travaux sur la force électrofaible.

La théorie électrofaible a été de nombreuses fois vérifiée par l’expérience. Par exemple, la découverte des bosons W+,W- et Z0 en 1983 au CERN par l’équipe de Carlo Rubbia a permis d’apporter une crédibilité à cette théorie. A l’heure actuelle, le boson de Higgs fait l’objet d’intenses recherches, et il est probable qu’il soit découvert au futur LHC (Large Hadron Collisionner, futur accélérateur de particules à la frontière franco-suisse). Si il n’est pas découvert, cela remettrait fortement en cause la théorie électrofaible.