Fòrça nucleara fòrta

L’interaccion fòrta (ò fòrça nucleara fòrta^[1]) es una interaccion fisica qu'agís sus lei particulas elementàrias portairitz de cargas de color (quarks, antiquarks e gluons). Imaginada per lo premier còp en 1935 per explicar l'estabilitat dei nuclèus atomics, demorèt mau compresa durant trentenau d'annadas avans l'emergéncia de la cromodinamica quantica.

Segon aquela teoria, entraïna l'associacion dei particulas de color per formar de particulas de color neutra (« blanca ») que son dichs pions ò adrons. Son intensitat aumenta amb la distància per venir infinida entre doas cargas de color separadas per una distància infinida. Es ansin impossible de separar doas cargas de color, çò qu'explica l'impossibilitat d'observar un quark liure dins la natura. D'autra part, maugrat sa portada infinida, l'interaccion fòrta a pauc d'efiechs sus lei sistèmas de granda talha car son totalament compausats de particulas de color blanca. En revènge, es fòrça influenta dins de volums fòrça pichons. Aquò li permet de tenir un ròtle major dins la formacion dei neutrons e dei protons (que fan partida deis adrons) e donc d'explicar la coesion dei nuclèus atomics e dei liames quimics.

Dins lo modèl estandars de la fisica modèrna, l'interaccion fòrta fa partida dei quatre interaccions fondamentalas de la natura amb la gravitacion, l'electromagnetisme e la fòrça nucleara febla.

La demonstracion de l'existéncia d'un nuclèu dins leis atòms foguèt realizada en 1911 per Ernest Rutherford (1871-1937)^[2]. L'estudi de sa composicion menèt a la descubèrta dau proton en 1919 e dau neutron en 1932. Pasmens, aquò menèt a un problema car èra impossible d'explicar la coesion d'un ensemble unicament format de particulas tenent una carga electrica positiva e de particulas neutras amb la gravitat ò l'interaccion electromagnetica. Au contrari, segon aquela darriera teoria, la repulsion entre protons deviá menar a l'explosion dau nuclèu. Foguèt donc necessari d'introdurre una fòrça novèla capabla de véncer aquela repulsion per assegurar la coesion dei nuclèus.

La premiera teoria depintant una tala « fòrça nucleara » foguèt prepausada per Hideki Yukawa (1907-1981). Explicava lo liame entre lei protons e lei neutrons per l'intermediari d'una particula pesuca dicha pion. Pasmens, a sa descubèrta, lo pion mostrèt de proprietats diferentas d'aquelei previstas per Yukava e, d'un biais pus generau, sa teoria èra pas capabla d'obtenir de resultats sufisentament precís per contentar la comunautat scientifica. De mai, d'autrei particulas avián presentat de signes de sensibilitat a la fòrça nucleara.

L'etapa decisiva vèrs l'establiment de la teoria modèrna de l'interaccion nucleara febla foguèt franquida en 1964 per Murray Gell-Mann (1929-2019)^[3] e George Zweig (nascut en 1937). Postulèron que lei protons, lei neutrons e d'autrei particulas descubèrtas dins lei decennis precedents èran pas de particulas elementàrias. En plaça, lei presentèron coma d'assemblatges complèxs de particulas pus pichonas que foguèron dichas quarks. A partir de 1967, aquela ipotèsi menèt au desvolopamen de la cromodinamica quantica. Acabat en 1973, principalament per Hugh David Politzer (nascut en 1949), Frank Wilczek (nascut en 1951) e David Gross (nascut en 1941)^[4], permetèt d'explicar leis interaccions entre quarks que menan a la formacion d'un ensemble de particulas que foguèron dichs adrons.

Totjorn considerada coma valida, la cromodinamica quantica entraïnèt lo cambiament de nom de la fòrça nucleara fòrta. D'efiech, coma aquela fòrça agís sus lei quarks, la coesion dei nuclèus atomics i aparéis coma un « residü » deis interaccions entre quarks^[5]. Ansin, prenguèt lo nom d'interaccion fòrta.

L'interaccion fòrta s'aplica unicament ai quarks^[6]. Leis autrei particulas (electrons, neutrinos, fotons... etc.) i son insensiblas. En revènge, seis efiechs son ressentits per lei particulas compausadas de quarks (leis adrons) coma, per exemple, lei protons ò lei neutrons. Per aquò, l'interaccion fòrta agís sus lei cargas de « color »^[7]. Aquela carga pòu prendre sièis valors diferentas que son dichas « roge », « vèrd », « blau », « antiroge », « antivèrd » e « antiblau ». Per existir, un adron dèu aver una carga « blanca » après addicion dei cargas de sei quarks^[8]. N'existís dos grops diferents :

• lei mesons son d'adrons de dos quarks, coma lei pions. contènon una carga de color e una carga d'anticolor.
• lei barions son d'adrons de tres quarks, coma lei neutrons ò lei protons, ò de tres antiquarks coma lei antineutrons ò lei antiprotons. Contènon siá una carga de cada color siá una carga de cada anticolor^[9].

• 
  Representacion d'un pion π⁺ format de d'un quark e d'un antiquark portaires cargas « blau » e « antiblau ».
• 
  Representacion d'un neutron format de tres quark portaires de cargas « roge », « vèrd » e « blau ».
• 
  Representacion d'un antiproton format de tres antiquarks portaires de cargas « antiroge », « antivèrd » e « antiblau ».

Quand dos quarks interagisson per interaccion fòrta, càmbian sei colors : lo quark « vèrd » qu'interagís amb un quark « roge » vèn « roge » mentre que l'autre vèn « vèrd ». Aquela transformacion es realizada gràcias au cambi d'un gluon qu'es la particula vectritz de l'interaccion fòrta. Un gluon pòrta tanben una carga de color. Dins lei fachs, n'existís uech tipes diferents que permèton de cambis entre diferentei colors. An una massa nulla e se desplaçan a la velocitat de la lutz.

L'interaccion fòrta se caracteriza per una proprietat fòrça particulara qu'es dicha « libertat asimptotica ». D'efiech, au contrari de la gravitat ò de la fòrça electromagnetica que son intensitat demenís amb la distància, la fòrça de l'interaccion fòrta aumenta amb la distància. Es donc febla entre dos quarks situats a proximitat e permet lo desplaçament dei quarks au sen deis adrons. En revènge, es infinida entre dos quarks separats per una distància infinida.

La consequéncia majora d'aqueu fenomèn es la dificultat d'extraire un quark. Aqueu fenomèn es dich confinament de color e enebís l'isolament d'una carga de color. Es donc impossible d'observar un quark liure^[10]. L'estudi dei quarks es donc un subjècte complèx car es necessari d'observar e d'interpretar seis efiechs sus d'autrei particulas, principalament leis adrons.

Coma son nom l'indica, l'interaccion fòrta es l'interaccion fondamentala amb l'intensitat pus important. Dins aquò, seis efiechs demòran limitats a de volums fòrça pichons, de l'òrdre de 10^-15 m coma lei nuclèus atomics, car lei sistèmas pus importants ò lei particulas liuras son « blancs ».

• (en) W. Bardeen, H. Fritzsch e M. Gell-Mann, « Light cone current algebra, π0 decay, and e+ e− annihilation », Scale and conformal symmetry in hadron physics, John Wiley & Sons, 1973.
• (fr) Claude Cohen-Tannoudji, Bernard Diu e Franck Laloë, Mécanique quantique, Hermann, 1997.
• (en) Oscar W. Greenberg, « Spin and Unitary Spin Independence in a Paraquark Model of Baryons and Mesons », Physical Review Letters, vol. 13, n°20,‎ 1964, pp. 598–602.
• (en) David Griffiths, Introduction to Elementary Particles, John Wiley & Sons, 1987.
• (en) F. Halzen, A.D. Martin, Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics, John Wiley & Sons, 1984.
• (en) M. Y. Han, Y. Nambu, « Three-Triplet Model with Double SU(3) Symmetry », Physical Review, vol. 139,‎ 1965, B1006-B1010.
• (fr) André Rougé, Introduction à la physique subatomique, École polytechnique, 2005.