Comment expliquer que les noyaux existent alors qu’ils sont constitués   de protons qui se repoussent ?

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D’après la force de Coulomb (force électromagnétique), des charges électriques de même signe se repoussent, hors, dans un noyau atomique il y a des neutrons qui ont une charge nulle est des protons qui sont chargés positivement. Comment dés lors explique que des protons qui se repoussent restent quand même ensemble dans le noyau ?

  Force de répulsion Coulombienne entre les protons du noyau.

L’explication provient du fait que l’énergie liée à la répulsion coulombienne est nettement inférieure à l’énergie de liaison nucléaire assurée par la force d’interaction forte.

Historiquement, c’est en 1964 que Murray Gell-Mann et George Zweig émirent l'hypothèse que les protons, les neutrons et d’autres particules récemment découvertes n'étaient pas des particules élémentaires mais plutôt des particules 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 : Quantum Chromo Dynamics) vit le jour.

L'interaction forte s'applique aux quarks et uniquement aux quarks (en fait, un quark est défini comme étant une particule sensible à l'interaction forte). Ainsi, les électrons, les neutrinos ou les photons sont insensibles à l'interaction forte. Cette interaction forte lie ensemble les quarks dans des hadrons (les protons et les neutrons) et, par extension, cette force lie aussi les nucléons ensemble dans le noyau (puisqu’ils sont eux-mêmes composés de quarks). Dès lors, on ne se trompe pas en affirmant que l’interaction forte assure la cohésion du noyau atomique.

La portée de la force est curieuse, car elle n’a quasiment aucune action lorsque les quarks sont très proches l’un de l’autre (lorsqu’ils restent confiné dans leur hadrons, on dit qu’ils sont libres asymptotiquement (pour une distance infiniment proche de zéro). Mais elle augmente au fur et à mesure que la distance entre les quarks augmente, si bien qu’ils ne s’éloignent jamais de 1.10^-15 m. On appelle cette propriété fondamentale la « liberté asymptotique à courte distance »).

Cette interaction forte est assurée par des vesteurs de force appelés des gluons. Pour illustrer cette propiété de liberté asymptotique, on peut comparer l’action du gluon à celui d’un élastique attaché à deux quarks. Si on attache deux billes aux extrémités d’un élastique détendu, les billes sont « libres » de se déplacer ; par contre au plus les billes sont éloignées l'une de l'autre et au plus l’élastique va tenter de les rapprocher.

De même, si on tire sur l’élastique pour séparer les deux quarks, on augmente l’énergie stockée dans l’élastique jusqu’à un moment où le système trouvera énergétiquement plus économique de casser l’élastique en deux et de produire une nouvelle paire de quark et d’anti-quark.  

Deux quarks sont reliés par                          Les deux quarks finissent par se
un élastique que l’on étire.                            Séparer, mais se forme un deuxième
                                                                  élastique, un quark et un anti-quark.

La liberté asymptotique a une conséquence très importante, car étant donné qu'il faut une énergie infinie pour séparer deux quarks totalement, il est extrêmement difficile de n'extraire seulement qu'un quark d'un hadron. En fait, il est impossible d'observer un quark libre. On dit que les quarks sont donc « confinés » à l'intérieur des hadrons.

Voit-on l’interaction forte à notre échelle ?

Comme son nom l'indique, l'interaction forte est l'interaction fondamentale qui a l'intensité la plus importante de toute les interactions. Alors y a-t-il des effets à notre échelle ? En fait, vu la faible portée de cette force, il semble, a priori difficile de trouver des manifestations courantes de l'interaction forte, son domaine étant exclusivement celui du noyau atomique (diamètre de l'ordre de 10^-15 m) là où deux quarks contenus dans deux hadrons différents sont suffisamment proches pour que des gluons puissent interagir.

Mais il ne faut pourtant pas oublier que le noyau atomique est indispensable à l'existence de l'atome. Or toute la matière que nous connaissons, qui nous entoure et dont nous sommes formés, est constituée d'atomes. Donc sans interaction forte, nous n'existerions pas car la matière ne pourrait pas exister sous la forme que nous connaissons. Nous sommes donc une manifestation indirecte mais très courante de l'interaction forte !

L'interaction forte est aussi indispensable à l'existence d'un phénomène très courant dans l'univers. En effet, cette interaction est responsable en grande partie des réactions thermonucléaires qui ont lieu au centre des étoiles, principalement la combustion de l'hydrogène en hélium. Or ces réactions sont la source de l'énergie que les étoiles rayonnent. L'interaction forte contribue donc aussi à faire briller le Soleil, ce qui permet notre vie sur terre.

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