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Interaction forte - cours

En 1911, Ernest Rutherford montra l'existence d'un noyau dans les atomes. Environ vingt ans plus tard, il était clair que les noyaux étaient formés de protons et de neutrons.

La première théorie de la force nucléaire fut élaborée par Hideki Yukawa en 1935. Il s'agissait alors d'une interaction entre protons et neutrons par l'intermédiaire d'une particule vectrice lourde appelée pion. Cette théorie ne donnait pas de résultats suffisamment satisfaisants. De plus, contre toute attente, de très nombreuses particules sensibles à la force nucléaire furent découvertes.

En 1964, Murray Gell-Mann et George Zweig émirent l'hypothèse que les protons, les neutrons et les très nombreuses particules récemment découvertes n'étaient pas des particules élémentaires mais plutôt des objets complexes constitués de particules plus petites appelées quarks. Cette nouvelle description des particules sensibles à la force nucléaire changea complètement la façon dont cette force était abordée. Ainsi entre 1967 et 1970, une nouvelle théorie appelée chromodynamique quantique (ou QCD) vit le jour, donnant une description cohérente de l'interaction forte qui permet de lier les quarks entre eux pour former des particules composites appelées hadrons.

Définition :

L'interaction forte est une interaction attractive s'exerçant entre les nucléons présents dans les noyaux atomiques. 

L'interaction forte ne nous est pas familière, son action est confinée à l'intérieur des noyaux atomiques. La seule application humaine de l'interaction forte est l'utilisation de réactions nucléaires pour produire de l'énergie (et éventuellement des bombes...). 

L'interaction forte permet la cohésion des noyaux atomiques en liant les protons et les neutrons entre eux au sein de ce noyau. Sans interaction forte, le noyau des atomes cèderait à la répulsion électrostatique des protons entre eux.

Elle est également responsable des réactions nucléaires qui ont lieu au cœur des étoiles, notamment de la transformation d'hydrogène en hélium. C'est donc un peu grâce à elle que le Soleil brille.

L'interaction forte est une force qui s'applique uniquement aux quarks, qui d'ailleurs se définissent comme des particules sensibles à l'interaction forte. Cette force agit naturellement aussi sur des particules composées de quarks comme les protons et les neutrons. 

L'interaction forte agit à courte portée au sein du proton et du neutron. Elle confine les quarks, particules élémentaires qui composent les protons et neutrons, en couples "quark−antiquark" (mésons), ou dans des triplets de quarks (baryons). Cette interaction se fait par l'échange de bosons appelés "gluons".

Le gluon est la particule élémentaire liée à l'interaction forte. Il a une masse nulle, il se déplace donc à la vitesse de la lumière. La charge associée à cette interaction est la "charge de couleur". 

L'interaction forte augmente avec la distance. Ainsi, une énergie infinie serait nécessaire pour séparer totalement deux quarks, qui n'ont par conséquent pas d'existence indépendante et restent confinés au sein des hadrons.

La théorie qui décrit cette interaction forte est la chromodynamique quantique, aussi appelée par son acronyme anglais QCD (Quantum ChromoDynamics). D'après cette théorie, chaque quark porte une charge de couleur qui peut être de trois sortes : bleue, verte ou rouge. C'est pourquoi on qualifie parfois l'interaction forte de « force de couleur ». Ces « couleurs » ne sont que des noms et n'ont rien à voir avec les couleurs au sens habituel. Les antiquarks de leur côté portent une charge antibleue, antiverte ou antirouge. Un hadron ne peut exister que si sa couleur totale est neutre ou blanche.

Exercice.

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1. La première théorie de la force nucléaire fut élaborée par Ernest RutherfordMurray Gell-MannHideki YukawaJe ne sais pas.

2. Un hadron ne peut exister que si sa couleur totale est neutre ou blancherougebleueverteJe ne sais pas.

3. Le gluon a une masse nulleélevéefaibleJe ne sais pas et se déplace à la vitesse de la lumière.

4. L'interaction forte diminueaugmenteJe ne sais pas avec la distance.

5. L'interaction forte est une force qui s'applique uniquement aux quarksneutrinosJe ne sais pas.

6. D'après la théorie QCD, chaque quark porte une charge de couleur qui peut être de troiscinqquatredeuxJe ne sais pas sortes.

7. La couleur vertebleueblancherougeJe ne sais pas ne fait pas partie de la charge de couleur portée par les quarks.

8. L'interaction forte agit à courtelongueJe ne sais pas portée au sein du proton et du neutron.

9. Sans interaction forte, le noyau des atomes céderait à la répulsionl'attractionJe ne sais pas électrostatique des protons entre eux.

10. La première théorie de la force nucléaire fut élaborée en 1935196419701911Je ne sais pas.