Théorie de Fermi de la désintégration β

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
Aller à : navigation, rechercher
La décroissance β dans un  noyau atomique (l'antineutrino associé est omis).
En bas à droite est représentée la décroissance bêta du neutron libre.
Dans les deux processus, l'émission intermédiaire d'un boson virtuel W- (qui décroit ensuite en un électron et un antineutrino) n'est pas montré.

En physique des particules, l'interaction de Fermi (aussi connue comme la théorie de Fermi de la désintégration β) est une explication de la radioactivité β, proposée par Enrico Fermi en 1933[1],[2],[3],[4]. La théorie suppose quatre fermions interagissant directement avec les autres, en un vertex (un sommet de convergence d'actions).

Cette interaction explique la désintégration bêta du neutron libre par un couplage direct d'un neutron avec :

  1. un électron,
  2. un antineutrino, et
  3.  un proton[5]

Fermi introduisit pour la première fois ce couplage dans sa description de la désintégration bêta en 1933[6]. L'interaction de Fermi a été le précurseur de la théorie de interaction faible où l'interaction entre le proton-neutron et l'électron-antineutrino est véhiculée par un boson virtuel W.

La théorie de Fermi est aujourd'hui englobée dans une théorie plus large, formalisée en 1968 par Sheldon Glashow, Steven Weinberg et Abdus Salam : la théorie électrofaible.

Historique du rejet initial et de sa publication[modifier | modifier le code]

Fermi a d'abord soumis sa théorie de la désintégration bêta à la célèbre revue Nature, qui  l'a rejeté en indiquant qu'elle était « trop spéculative ». Nature admit plus tard que le rejet était l'une des plus grande erreur éditorial de son histoire. Fermi soumit ensuite le papier à des publications italienne et allemande qui l'acceptèrent et le publièrent en 1933 dans ces deux langues. Nature republia tardivement, en anglais, le rapport de Fermi sur la désintégration bêta le 16 janvier 1939.

Fermi trouva le rejet initial de son papier si troublant qu'il décida de se retirer provisoirement de la physique théorique, et se tourna ainsi vers la physique expérimentale. Cela le conduisit brièvement vers son célèbre travail sur l'activation des noyaux avec des neutrons froids.

La nature de l'interaction[modifier | modifier le code]

L'interaction permet aussi d'expliquer la désintégration du muon via un couplage d'un muon, électron-antineutrino, muon-neutrino et électron, avec la même intensité fondamentale de l'interaction. Cette hypothèse fût avancée par Gershtein et Zeldovich et est connue comme l'hypothèse du courant vecteur conservé[7].

La théorie à quatre fermions de Fermi décrit remarquablement bien l'interaction faible. Cependant, la section efficace calculée grandit comme le carré de l'énergie , rendant invraisemblable le fait que la théorie soit valide à des énergies plus grandes qu'environ 100 GeV. La solution est de remplacer l'interaction de contact de quatre fermions par une théorie plus complète (complétion ultraviolette) — un échange d'un boson W ou Z comme expliqué par la théorie électrofaible.

Dans la théorie initiale, Fermi supposa que la forme de l'interaction est un couplage de contact de deux courants vecteurs. Par conséquent, Lee et Yang montrèrent que rien n'empêche l'apparition d'un courant axial violant la parité ce qui fût confirmé par des expériences réalisées par Chien-Shiung Wu[8],[9].

L'interaction de Fermi montrant le courant vecteur à quatre fermions, couplé à la constante de couplage de Fermi GF. La théorie de Fermi fût le premier effort théorique dans la description des taux de désintégrations nucléaires dans la désintégration bêta.

La prise en compte de la violation de la parité dans l'interaction de Fermi a été effectuée par George Gamow et Edward Teller dans les transitions Gamow-Teller, qui décrivent l'interaction de Fermi en termes de décroissances « permises » violant la parité et de décroissances « super permises » la conservant impliquant des états de spins de l'électron et du neutrino anti-parallèle et parallèle respectivement. Avant l’avènement  de la théorie électrofaible et du Modèle Standard, George Sudarshan et Robert Marshak, et également de manière indépendante Richard Feynman et Murray Gell-Mann, furent capable de déterminer la structure tenseur correcte (vecteur moins axial vecteur, VAde l'interaction à quatre fermions.

Constante de Fermi[modifier | modifier le code]

L'intensité de l'interaction de Fermi est donnée par la constante de couplage de Fermi GF. La détermination expérimentale la plus précise de la constante de Fermi provient de la mesure du temps de vie du muon, qui est inversement proportionnel au carré de GF (lorsque l'on néglige la masse du muon devant la masse du boson  W)[10]. En formulation moderne [6] :

g est la constante de couplage de l'interaction faible, et mW est la masse du boson W qui régit la désintégration considérée.

Dans le modèle standard, la constante de Fermi est liée à la valeur attendue du vide de Higgs [11]

Références[modifier | modifier le code]

  1. (it) E. Fermi, « Tentativo di una teoria dei raggi β », La Ricerca Scientifica, vol. 2, no 12,‎
  2. (it) E. Fermi, « Tentativo di una teoria dei raggi β », Il Nuovo Cimento, vol. 11, no 1,‎ , p. 1–19 (DOI 10.1007/BF02959820)
  3. (de) E. Fermi, « Versuch einer Theorie der beta-Strahlen. I », Zeitschrift für Physik, vol. 88,‎ , p. 161 (DOI 10.1007/BF01351864, Bibcode 1934ZPhy...88..161F)
  4. F. L. Wilson, « Fermi's Theory of Beta Decay », American Journal of Physics, vol. 36, no 12,‎ , p. 1150 (DOI 10.1119/1.1974382, Bibcode 1968AmJPh..36.1150W, lire en ligne)
  5. (en) R.P. Feynman, Theory of Fundamental Processes, W. A. Benjamin, , chapitres 6 et 7
  6. a et b (en) D. Griffiths, Introduction to Elementary Particles, (ISBN 978-3-527-40601-2), pages 314–315
  7. S. S. Gerstein et Ya. B. Zeldovich, Soviet Physics JETP, 1958, p. 570 
  8. T. D. Lee et C. N. Yang, « Question of Parity Conservation in Weak Interactions », Physical Review, vol. 104, no 1,‎ , p. 254–258 (DOI 10.1103/PhysRev.104.254, Bibcode 1956PhRv..104..254L)
  9. C. S. Wu, E Ambler, R. W. Hayward, D. D. Hoppes et R. P. Hudson, « Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay », Physical Review, vol. 105, no 4,‎ , p. 1413–1415 (DOI 10.1103/PhysRev.105.1413, Bibcode 1957PhRv..105.1413W)
  10. D. B. Chitwood, « Improved Measurement of the Positive-Muon Lifetime and Determination of the Fermi Constant », Physical Review Letters, vol. 99,‎ , p. 032001 (DOI 10.1103/PhysRevLett.99.032001, Bibcode 2007PhRvL..99c2001C, arXiv 0704.1981)
  11. T. Plehn et M. Rauch, « Quartic Higgs coupling at hadron colliders », Physical Review D, vol. 72,‎ , p. 053008 (DOI 10.1103/PhysRevD.72.053008, Bibcode 2005PhRvD..72e3008P, arXiv hep-ph/0507321)