How big is Portée de la force faible?

La force faible est l'une des quatre forces fondamentales de la nature, et elle n'agit que sur de très courtes distances. Sa portée, la distance qu'elle peut atteindre, est d'environ 10⁻¹⁸ mètre, soit 1 attomètre. C'est moins d'un millième de la largeur d'un proton.

Distance

Un attomètre vaut 10⁻¹⁸ mètre, soit un milliardième d'un milliardième de mètre. La notation 10⁻¹⁸ signifie 1 divisé par un 1 suivi de 18 zéros. Cette portée n'est pas une limite que quelqu'un ait mesurée avec un instrument. C'est une estimation, calculée à partir de la masse des particules qui transmettent cette force.

La force faible est transmise par des particules appelées bosons W et Z. Elles sont lourdes : un boson W a une masse environ 86 fois supérieure à celle d'un proton, et un boson Z, environ 97 fois. La physique quantique n'autorise une particule vectrice de force à exister que pendant un bref instant, et plus la particule est lourde, plus cet instant est court.

Même en se déplaçant presque à la vitesse de la lumière, un boson W ne peut parcourir qu'environ 2 × 10⁻¹⁸ mètres pendant ce laps de temps, selon le manuel University Physics Volume 3. Le CERN, le laboratoire européen de physique des particules, arrondit cette portée à environ 10⁻¹⁸ mètre. Il précise que la force disparaît complètement au-delà du rayon d'un seul proton.

Comparaisons de taille

Un proton, d'environ 1,7 femtomètre (1,7 × 10⁻¹⁵ mètre) de diamètre, est environ 1 700 fois plus large que la portée de la force faible.
La force forte, qui maintient les quarks ensemble à l'intérieur des protons et des neutrons, a une portée d'environ 10⁻¹⁵ mètre, soit environ 1 000 fois celle de la force faible.
Les expériences ont montré que si un quark a une taille, elle est inférieure à environ 8,6 × 10⁻¹⁹ mètres, un peu moins que la portée de la force faible.
Si la portée de la force faible était agrandie à la largeur d'un cheveu, environ 0,1 millimètre, un proton mesurerait environ 17 centimètres de diamètre et un atome d'hydrogène environ 11 kilomètres de diamètre.

Ce que fait la force faible

La force faible peut transformer un type de quark en un autre. C'est ainsi qu'un neutron se transforme en proton lors de la désintégration bêta, une forme de désintégration radioactive. Le neutron émet un boson W et devient un proton, et le boson W se transforme ensuite en un électron et un antineutrino.

La force faible peut aussi transformer un proton en neutron. C'est ce qui se produit à la première étape de la fusion nucléaire qui alimente le Soleil. Deux protons se combinent, et l'un d'eux devient un neutron, formant du deutérium, une forme lourde d'hydrogène. Les neutrinos ne subissent que la force faible et la gravité, et la plupart traversent une planète entière sans être arrêtés.

Bien qu'on l'appelle « faible », cette force est beaucoup plus intense que la gravité. Le CERN explique qu'elle est en réalité presque aussi intense que la force électromagnétique, et qu'elle ne paraît faible que parce que les lourds bosons W et Z limitent sa portée.

La découverte des bosons W et Z

Enrico Fermi a proposé la première théorie de la force faible en 1933. Dans les années 1960, Sheldon Glashow, Abdus Salam et Steven Weinberg ont proposé que les forces faible et électromagnétique n'étaient que deux formes d'une seule force électrofaible. Leur théorie prédisait l'existence des bosons W et Z et, combinée à des expériences antérieures, leurs masses.

Pour produire ces bosons, des physiciens du CERN ont transformé le plus grand accélérateur du laboratoire en une machine faisant entrer en collision des protons et des antiprotons. Les expériences UA1 et UA2 y ont observé les deux particules pour la première fois en 1983, avec les masses prédites. Carlo Rubbia et Simon van der Meer ont reçu le prix Nobel de physique 1984 pour cette découverte.