Interaction élémentaire

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Les physiciens regroupent actuellement les interactions entre particules élémentaires en quatre catégories :

La gravitation, qui est la première à avoir été mise en théorie dans la mécanique newtonienne. La théorie de la relativité générale a ensuite été développée pour rendre compte de phénomènes inexplicables en mécanique classique.
L'électromagnétisme est, historiquement, la deuxième interaction élémentaire à avoir été formalisée. Sa formulation quantique est appelée l'électrodynamique quantique ou QED ; elle est basée sur le groupe de jauge $U(1)\,$ .
Les interactions nucléaires fortes, appelées aussi chromodynamique quantique ou QCD, et faibles. Ces deux interactions sont à très courte portée (de l'ordre de grandeur des noyaux atomiques, d'où leur dénomination) ; elles interviennent essentiellement dans les processus nucléaires et ne peuvent être décrites que dans le cadre de la théorie quantique des champs. L'interaction faible utilise un groupe de jauge $SU(2)\,$ tandis que la chromodynamique quantique utilise un groupe de jauge $SU(3)\,$ .

[modifier] Brève histoire de l'unification des interactions élémentaires

Au cours du XX^e siècle la théorie électrofaible a tout d'abord été développée pour unifier l'électromagnétisme avec l'interaction faible. Puis l'interaction forte a pu être unifiée avec les deux premières donnant alors le modèle standard de la physique dont les prédictions ont été vérifiées avec une très grande précision dans les accélérateurs de particules. Néanmoins, même si ces interactions sont décrites dans un cadre commun, les intensités des trois forces, appelées aussi constantes de couplage, ne sont pas les mêmes. Le but des théories de grande unification est de fournir d'une part une description unifiée des trois forces dans laquelle elles partageraient une même constante de couplage (description qui serait valide à des échelles d'énergie très grandes de l'ordre de $10^{15} GeV\,$ ) et d'autre part un mécanisme par lequel cette symétrie entre les trois forces a pu être brisée aux échelles d'énergies que nous observons actuellement.

Enfin toutes ces descriptions ne font pas mention de la gravitation dont l'influence reste négligeable tant que les énergies mises en jeu sont faibles devant l'échelle de Planck, de l'ordre de $10^{18}GeV\,$ , mais qui devient dominante au-delà. Comme la théorie du Big Bang nous informe que l'univers a connu dans ses tous premiers instants une phase très chaude et très dense, appelée l'ère de Planck, il est admis qu'une description correcte de cet univers primordial nécessite d'avoir à sa disposition une théorie quantique de la gravitation. Plusieurs théories candidates sont en cours d'élaboration pour fournir cette gravité quantique. Il s'agit d'une part de la théorie des cordes qui se donne également pour objectif de décrire les autres interactions à ces échelles, (on parle de théorie du tout), et de la gravitation quantique à boucles qui est moins ambitieuse et vise seulement à décrire quantiquement la gravité sans inclure les autres interactions.