Modèle standard des particules
Interaction faible

Les interactions fondamentales sont au nombre de quatre.

• 1. L'interaction nucléaire forte,
• 2. L'interaction électromagnétique,
• 3. L'interaction faible,
• 4. la gravitation.

L'interaction faible (ou force faible et même force nucléaire faible) est responsable de la désintégration radioactive de particules subatomiques et est à l'origine de la fusion nucléaire dans les étoiles (nucléosynthèse stellaire).

• Elle affecte toutes les catégories de fermions connues comme les électrons, les quarks… ;
• C'est la seule interaction qui agit sur les neutrinos.

Ses particules sont les 3 bosons de jauge : Z⁰, W^±.

Le boson de Higgs, découvert en 2012, confère une masse non nulle aux bosons de jauge de l'interaction faible et leur donne des propriétés différentes de celles du boson de l'interaction électromagnétique, le photon.

Rappels sur l'interaction faible

La radioactivité bêta (β) était connue depuis Henri Becquerel (1852-1908) en 1896.

• $\beta$ correspond à une particule $\beta$, électron ou positron. C'est pourquoi on parle de désintégration (autre terme pour radioactivité) β^- ou β⁺.
• $\alpha$ correspond à l'émission d'un atome d'hélium $^4_2He$, et on parle de désintégration $\alpha$.

Enrico Fermi (1901-1954) qui introduisit l'interaction faible en 1930, pour la désintégration bêta (β) du neutron, appelée aussi interaction de Fermi, en proton, électron et antineutrino (désintégration β^-) qui est décrite comme une interaction à 4 points :

$$n\;\rightarrow\;p\;+\;e^-+\bar\nu_e+782\,keV$$

• Après la découverte des quarks, la désintégration du neutron implique la transformation d'un quark d en un quark u : $d\;\rightarrow\;u+e^-+\bar\nu_e$.
• A contrario, un proton peut se transformer en neutron : $u\;\rightarrow\;d+e^++\nu_e$.

Le modèle de Glashow-Weinberg-Salam, décrit en 1967, montre une interaction à 3 points avec un couplage $g_W$ par l'interaction du boson W (cf. interaction électrofaible).

La radioactivité β est responsable de la nucléosynthèse dans les étoiles.

Dans le soleil (étoile jeune), l'hydrogène se transforme en hélium (cf. fusion de l'hydrogène)

On peut citer d'autres exemples d'interactions faibles comme :

• la désintégration des hadrons : $\pi^+\rightarrow\;\mu^++\nu_\mu$ ou $\Lambda^0\,\rightarrow\;p+\pi^-$…
• la capture des antineutrinos : $\bar\nu_e+p\;\rightarrow\;n+e^+$.

Propriétés sur l'interaction faible

Elle est appelée interaction faible car :

• sa portée est très courte car la masse des bosons, procurée par le boson de Higgs, est élevée ;
• son intensité est faible : 10⁴ fois moins que celle de l'interaction électromagnétique et 10⁶ fois moins que celle de l'interaction nucléaire forte ;
• sa durée n'excède pas 10^-8 seconde : par exemple, la désintégration faible $\pi^+\,\rightarrow\;\mu^++\nu_\mu$ a une durée approximative de 10^-8 seconde, alors que la désintégration électromagnétique $\pi^0\,\rightarrow\;\gamma+\gamma$ est de l'ordre de 10^-17 seconde.

Cette interaction faible a plusieurs particularités :

• 

  elle change la couleur des quarks : la désintégration d'un quark down, de charge $-1/3$, en un quark up, de charge $+2/3$, est réalisée par l'émission d'un boson $W^-$ ;
• elle viole la parité ou symétrie $\mathcal P$ et la symétrie $\mathcal C\mathcal P$, la symétrie $\mathcal C$ étant la conjugaison de charge (cf. brisures de symétrie)
• elle ne produit aucun état lié connu entre les particules (orbites, interaction…).

On peut classer les interactions faibles en utilisant les diagrammes de Feynmann :

1. interactions faibles leptoniques, i.e. couplées uniquement à des leptons :

• désintégration du muon : $\mu^-\rightarrow\;e^-+\nu_\mu+\bar\nu_e$
• désintégration du tauon : $\tau^-\rightarrow\;\mu^-+\nu_\tau+\bar\nu_\mu$

2. interactions faibles semi-leptoniques, i.e. couplées sur un sommet à des quarks et l'autre sommet à des leptons :

• désintégration de Fermi du neutron : $n\;\rightarrow\;p+e^-+\bar\nu_e$,
• désintégration du pion : $\pi^-\rightarrow\;\mu^-+\bar\nu_\mu$
• désintégration du kaon $K^+$ : $K^+\rightarrow\;\mu^++\nu_\mu$
• désintégration du kaon $K^-$ : $K^-\rightarrow\;\mu^-+\bar\nu_\mu$
• désintégration du baryon Lambda $\Lambda^0$ : $\Lambda^0\rightarrow\;p+e^-+\nu_e$

3. interactions fasibles non-leptoniques, i.e. couplées uniquement à des quarks :

• désintégration du kaon $K^+$ : $K^+\rightarrow\;\pi^++\pi^0$
• désintégration du baryon Lambda $\Lambda^0$ : $\Lambda^0\rightarrow\;p+\pi^-$
• désintégration du baryon Xi $\Xi^0$ : $\Xi^0\rightarrow\;\Lambda^0+\pi^0$

Bosons de jauge W^± et Z⁰