Force nucléaire

Laforce nucléaire,qui s'exerce entrenucléons,est responsable de la liaison desprotonset desneutronsdans lesnoyaux atomiques.Elle peut être interprétée en termes d'échanges demésonslégers, comme lespions.Même si son existence est démontrée depuis les années 1930, les scientifiques n'ont pas réussi à établir une loi permettant de calculer sa valeur à partir de paramètres connus, contrairement aux lois deCoulombet deNewton.

Diagramme de Feynmand'unediffusionproton-neutron.

Elle est parfois appeléeforce forte résiduelle,pour la distinguer de l'interaction forteque l'on explique à partir de lachromodynamique quantique.Cette formulation a été introduite dans les années 1970 en raison d'un changement deparadigme.Auparavant, laforce nucléaire fortedésignait la force entre nucléons. Après l'introduction du modèle desquarks,l'interaction fortea désigné les forces définies par la chromodynamique quantique, qui interagissent avec les quarks, en raison de leur charge de couleur. Les nucléons n'ayant aucunecharge de couleur,la force nucléaire n'implique donc pas directement lesgluons,particules médiatrices de l'interaction forte, mais plutôt d'autres processus.

Historique

La force nucléaire est au cœur de laphysique nucléairedepuis la naissance de cette discipline en 1932 par la découverte duneutronparJames Chadwick.Le but traditionnel de la physique nucléaire est de comprendre les propriétés dunoyau atomiquedans ses interactions 'nues' entre paires de nucléons, ou forces nucléon-nucléon (NN).

En 1935,Hideki Yukawaest le premier à tenter d'expliquer la nature de la force nucléaire. Selon sa théorie, desbosonsmassifs (mésons) servent de médiateurs à l'interaction entre deux nucléons. Bien que, à la lumière de lachromodynamique quantique,la théorie des mésons ne soit plus perçue comme fondamentale, le concept d'échange de mésons (dans lequel leshadronssont traités comme desparticules élémentaires) représente toujours le meilleur modèle quantitatif pour le potentielNN.

Historiquement, la simple description qualitative de la force nucléaire se révèle une tâche considérable, et la construction des premiers modèles quantitatifs semi-empiriques au milieu des années 1950 n'intervient qu'après un quart de siècle de recherches. Dès lors, des progrès substantiels interviennent dans les domaines expérimentaux et théoriques concernant la force nucléaire. La plupart des questions fondamentales sont tranchées dans les années 1960 et 1970. Plus récemment, les expérimentateurs se concentrent sur les aspects subtils de la force nucléaire, comme ladépendance de charge, la détermination précise de la constante de couplage πNN,l'amélioration de l'analyse du décalage de phase^[Quoi?],la mesure de haute précision des données et des potentielsNN,la diffusionNNpour des énergies intermédiaires et élevées, et les tentatives de description de la force nucléaire à partir de la chromodynamique quantique.

Propriétés fondamentales

• La force nucléaire (NN) est ressentie uniquement par leshadrons.
• Aux distances typiques de séparation des nucléons (1,3fm), c'est une force attractive très intense^[Combien?].À ces distances, la force nucléaire est plus intense que laforce coulombienne;elle peut donc vaincre la répulsion entre protons produite par la force de Coulomb à l'intérieur des noyaux atomiques. Cependant, la force de Coulomb entre protons a une portée illimitée et devient la seule force significative entre protons quand ils sont séparés de plus de 2,5fm.
• Au-delà d'environ 1,3fm,la force décroît exponentiellement vers zéro.
• À de très faibles distances, la force nucléaire devient par contre fortement répulsive, ce qui maintient une réelle séparation entre nucléons.
• La forceNNest pratiquement indépendante du type denucléons(neutronsouprotons). Cette propriété est appelée « indépendance de charge ».
• La forceNNdépend par contre du caractère parallèles ou antiparallèles desspinsdes nucléons.
• La forceNNpos sắc de une composante non centrale outensorielle.Cette partie de la force ne conserve pas lemoment cinétique orbital,qui est une constante du mouvement produit par uneforce centrale.

Potentiels nucléon-nucléon

Les systèmes à deux nucléons tels que ledeutéronou ladiffusion proton-proton ou neutron-proton^[Quoi?]sont idéaux pour étudier la forceNN.De tels systèmes peuvent être décrits en attribuant unpotentiel^[Quoi?](tel que lepotentiel de Yukawa) aux nucléons et en utilisant les potentiels dans uneéquation de Schrödinger.Cette méthode permet de déterminer la forme du potentiel, bien que pour les interactions à longue portée, les théories impliquant les échanges de mésons en facilitent la construction. Les paramètres du potentiel sont déterminés par adaptation aux données expérimentales telles que l'énergie de liaison du deutéron ou lessections efficacesdediffusion élastiqueNN(ou, de façon équivalente dans ce contexte, ce que l'on appelle les décalages de phaseNN).

Les potentielsNNles plus couramment utilisés sont notamment lepotentiel de Paris,lepotentiel Argonne AV18et lepotentiel CD-Bonnet lespotentiels de Nimègue.

Le potentiel nucléaire contient aussi le potentiel de Coulomb, qui n'est pas seulementrépulsifentre protons mais est attractif entre un proton de charge électrique +e et un neutron contenant des charges électriques de somme nulle. Le potentiel de Coulomb pos sắc de aussi une partie magnétique (selon laloi de Biot et Savart), généralement répulsive entre nucléons.

Des nucléons au noyau

On pourrait voir dans laphysique nucléaireun seul but: décrire l'ensemble des interactions nucléaires à partir des interactions fondamentales entre nucléons. C'est ce que l'on appelle l'approchemicroscopiqueouab initio.Deux obstacles majeurs doivent cependant pour cela être surmontés:

• les calculs dans dessystèmes à plusieurs corpssont complexes et requièrent des moyens de calcul puissants;
• il est prouvé que, dans les systèmes à plus de deux nucléons, les forces à trois corps (et peut-être au-delà) jouent un rôle significatif. Ainsi, les potentiels à trois nucléons ou plus doivent être inclus dans le modèle.

Cependant, grâce aux progrès croissants des puissances de calcul utilisables, les calculs microscopiques produisant directement unmodèle en couchesà partir de potentiels à deux ou trois nucléons sont devenus possibles et ont été tentés pour des noyaux allant jusqu'à unemasse atomiqueégale à 12.

Une approche nouvelle et très prometteuse consiste à développer desthéories effectivespour une description cohérente des forces nucléon-nucléon et des forces à trois nucléons. En particulier, on peut analyser labrisure de symétrie chiralecomme théorie effective (appeléethéorie de la perturbation chirale), ce qui autorise uncalcul par perturbationdes interactions entre nucléons, les pions étant les particules d'échange.

Potentiels nucléaires

Une voie fructueuse pour décrire les interactions nucléaires consiste à construire un potentiel pour l'ensemble du noyau, au lieu d'examiner les nucléons qui le composent. Cette approche est ditemacroscopique.Par exemple, la diffusion de neutrons par des noyaux peut être décrite en considérant uneonde planedans le potentiel du noyau, constituée d'unepartie réelleet d'une partie imaginaire. Ce modèle est souvent appelé « modèle optique » par analogie avec le phénomène de diffusion de la lumière par une sphère de verre opaque.

Les potentiels nucléaires peuvent êtrelocauxouglobaux:les potentiels locaux sont limités à un domaine restreint d'énergies et/ou de masses, alors que les potentiels globaux, qui ont plus de paramètres et sont habituellement moins précis, sont fonction de l'énergie et de la masse du noyau, et peuvent ainsi être utilisés dans un plus vaste domaine d'applications.

Voir aussi

Bibliographie

• (en)Gerald Edward Brown and A. D. Jackson,The Nucleon-Nucleon Interaction,(1976) North-Holland Publishing, Amsterdam(ISBN0-7204-0335-9)
• (en)R. Machleidt and I. Slaus, "The nucleon-nucleon interaction",J. Phys.G27(2001) R69(topical review).
• (en)Kenneth S. Krane, "Introductory Nuclear Physics", (1988) Wiley & Sons(ISBN0-471-80553-X)
• (en)P. Navrátil and W.E. Ormand, "Ab initio shell model with a genuine three-nucleon force for the p-shell nuclei", Phys. Rev. C68,034305 (2003).

Articles connexes

• Réaction nucléaire
• Potentiel de Yukawa
• Énergie nucléaire
• Matière nucléaire (physique)