Interaction forte

L'interaction forte agit entre les quarks constituants qui constituent les hadrons. L'intensité du couplage peut être estimée à partir de la probabilité de décroissance des baryons instables. Prenons le cas de la résonance formée dans la réaction :

$$K^{-}+p\rightarrow \Sigma ^{0}\left( 1385\right) \rightarrow \Lambda ^{0}+\pi ^{0}$$

De la largeur mesurée de la résonance, égale à 36 MeV, on déduit une vie moyenne égale à 10 seconde. En comparant cette valeur avec la vie moyenne dans la décroissance électromagnétique (les deux processus de décroissance ont des bilans énergétiques semblables, 130 MeV comparé à 77 MeV) :

$$\Sigma ^{0}\left( 1192\right) \rightarrow \Lambda ^{0}+\gamma$$

et en faisant le rapport des deux vies moyennes on obtient que l'intensité du couplage fort est égale à 100 fois l'intensité du couplage électromagnétique, c'est-à-dire :

$$\alpha _{s}=\frac{g_{s}^{2}}{4\pi }\simeq 1$$

où est par analogie, avec la constante de structure fine, la charge forte. Le médiateur de l'interaction est le gluon, un boson de masse nulle comme le photon. La particularité de la Chromodynamique Quantique, la théorie des champs de l'interaction forte, est l'existence de six types de charge forte appelés couleurs et libellés rouge, bleu et vert. Chaque quark peut être porteur de l'une des trois couleurs, les anti-quarks étant porteurs de l'anti-couleur et le gluon est également porteur d'une couleur et d'une anti-couleur. Cette dernière propriété implique que les gluons interagissent entre eux, ce qui conduit à trois diagrammes élémentaires pour l'interaction forte (Figure 2.9).

Figure 2.9: Les trois diagrammes de base dans la théorie de la Chromodynamique Quantique, en partant de la gauche le couplage du quark au gluon, le couplage d'un gluon à un gluon et le couplage de 2 gluons entre eux.

Une autre particularité de l'interaction forte, résultant de la valeur du couplage voisin de l'unité, implique que le diagramme de la Figure 2.10, c'est-à-dire l'échange d'un seul gluon dans la diffusion de deux quarks, n'est pas le seul à prendre en compte puisque les termes aux ordres plus élevés (l'échange de plusieurs gluons) deviennent toujours plus important

Figure 2.10: Diagramme d'une diffusion de quarks avec échange des charges de couleur.

En fait, pour des collisions violentes, dans lesquelles le moment transféré est important (où de façon équivalente les inter-distances sont petites), le couplage est inférieur à 1 de sorte que l'échange d'un gluon unique est une bonne approximation. Ce cas de figure constitue le régime perturbatif de QCD. Cependant pour des moments transférés faibles (des inter-distances grandes) le couplage devient plus grand que 1 et la théorie est incalculable car le nombre de termes à prendre en compte est infini. Ce cas de figure constitue le régime non-perturbatif.

Comme déjà mentionné précédemment, la particularité de la théorie de la Chromodynamique Quantique, notamment par rapport à l'électrodynamique quantique, réside dans le fait que le médiateur de l'interaction est lui-même porteur de charges de couleur et donc que les gluons interagissent entre eux. Tout comme les lignes de force de l'interaction électromagnétique relie deux charges électriques (Figure 2.11), les quarks sont liés entre eux par des lignes de force de l'interaction forte.

Figure 2.11: Lignes de force du champ électrique entre deux charges électriques comparées aux lignes de force du champ de couleur. Pour le champ de couleur les lignes se groupent en un tube ou corde du fait de l'interaction entre gluons.

Cependant, du fait de l'interaction entre gluons, ces lignes de force sont regroupés en forme de tube que l'on désigne par le terme de corde (Figure 2.11). La constante k apparaissant dans le terme linéaire en r du potentiel de l'équation 2.2, est alors interprété comme la densité d'énergie par unité de distance d'une telle corde. En tirant sur cette corde pour isoler par exemple un quark, l'énergie stockée dans la corde augmentera jusqu'à un point où le système trouvera énergétiquement plus économique de produire une nouvelle paire d'un quark et d'un anti-quark (Figure 2.12 ) en cassant la corde.

Figure 2.12: Tenter de libérer un quark en tirant sur la corde résulte en la cassure de cette corde et la formation d'une paire d'un quark et d'un anti-quark.

Le Tableau 2.10 résume les propriétés des trois interactions.

Tableau 2.10: Les trois interactions fondamentales d'intérêt pour la physique des particules élémentaires

Interaction	électromagnétique	faible	forte
	photon	bosons intermédiaires	gluon
quantum du champ
Spin-parité
Masse (GeV/c )
Portée (m)
Source	charge électrique	charge faible	charge de couleur
Couplage			grande distance
			courte distance
Section efficace ( )
Vie moyenne (s)

Le Tableau 2.11 récapitule les quantités conservées par les différentes interactions.

Tableau 2.11: Règle de conservation des différentes types d'interaction. L'interaction faible peut conserver ou non l'étrangeté ou le charme. Si ces nombres quantiques ne sont pas conservées alors l'étrangeté ou le charme change d'une unité.

	Interaction
Quantité conservée	forte	électromagnétique	faible
Énergie/Moment	o	o	o
Charge	o	o	o
Nombre Baryonique	o	o	o
Nombre Leptonique	o	o	o
Isospin	o	n	n
Étrangeté	o	o	n
Charme	o	o	n
Parité (P)	o	o	n
Conjugaison de charge (C)	o	o	n
CP	o	o	o
CPT	o	o	o