CONSTANTES de COUPLAGE

-constante de couplage

Pour exprimer la force d'interaction entre 2 entités-charges induites, on utilise la loi de Newton-Coulomb.

Elle est habituellement exprimée pour des charges macroscopiques. Mais quand il s’agit de particules, il faut affiner son expression, car on doit alors tenir compte des interactions que les diverses particules élémentaires constitutives s'échangent entre elles.

Pour prendre en compte lesdites petites mais multiples interactions entre ces éléments particulaires (des quarks) on les cumule avec les interactions classiques, macroscopiques : on en fait le couplage.

Ceci s’exprime par un coefficient correcteur dans la loi de Newton-Coulomb, nommé coefficient de couplage

Il est symbolisé (1 + α) où apparaît le paramètre α dit constante de couplage 

Le coefficient de couplage se doit d'exprimer les interactions entre plusieurs corps, puisqu’il y a deux ou trois quarks et antiquarks présents dans une particule massique.

Chaque type de charge (massique, impulsion, électricité ou magnétisme) a droit à sa constante de couplage spécifique. Et comme l’équation exprimant les forces d’interactions entre trois corps n’est pas calculable, on esquive en présentant la valeur de chaque α grâce à une mise en viriel >>

α = K1(l1/l2) + K2(l1/l2)2 + K3(l1/l2)3 + ….où l1(m)= distance entre les entités-charges induites (les globales) et l(m)= distance maximale d’interaction entre leurs constituants (les quarks/antiquarks constitutifs) Les Ki sont des coefficients numériques

 

Donc la loi de Newton doit s'écrire (en version générale)

F = [X1.X2]..(1 + α] / Ω.l1²

où F(N)= force d'interaction

X1 et 2 sont 2 entités-charges induites de même nature qui interagissent (ce sont des masses, transportant éventuellement des charges électriques ou des impulsions ou des charges magn°)

∏ est l’un des facteurs (ou coefficients) de milieu, c’est à dire la caractéristique du vide impliquée dans cette interaction.

-dans le cas de la gravitation, ce facteur  est la constante de gravitation (G)

-dans le cas de la force forte,  est le facteur de Yukawa (Y*)

-dans le cas de l’électricité,  est l’inductivité (ζ’)

-dans le cas de l’interaction faible,  est la perméabilité magnétique (μ)

Ω(sr) est l'angle solide à l’intérieur duquel s’effectue l’interaction et qui est en général l’espace entier (4 pi stéradians pour les systèmes d'unités utilisant le stéradian comme unité d'angle solide)

α est la constante de couplage définie ci-dessus (αg pour la gravitation, αé pour l’électricité, αw pour la faible et αs pour la forte)

l1(m)= distance entre les entités-charges X1 et 2

Chacune des 4 interactions fondamentales a une constante de couplage spécifique. En fait, aucune d’entre elles n'est "constante" -malgré le mot- car chacune varie en fonction de la portée d’interaction interne let aussi en fonction de la taille (ou énergie) des particules constitutives. Ceci cause des variations numériques sensibles pour chaque constante de couplage

Les valeurs des constantes de couplage s’échelonnent (voir ci-dessous) entre # 10-1 et 10-39

Certains évoquent qu'à une certaine époque de sa vie primitive, l'univers présentait une unification au niveau des constantes de couplage des 4 interactions fondamentales (car les types de particules étaient à cette époque très limités et très gros > 10-20 kg)

 

CALCUL d'une CONSTANTE de COUPLAGE

On applique la loi de Newton-Coulomb envers 2 particules induites similaires, sachant que -quel que soit le cas d'interaction– on a toujours les mêmes relations ci-après (en première approximation)

α = (charge de la particule induite)² x (facteur de milieu ∏) / Ω.h.c

 ou bien

α = force d'interaction x (distance)².Ω / (facteur de milieu ∏).(charge particulaire induite)²

avec α(nombre)= constante de couplage

h(J-s/rad)= valeur particulière d'action, dite constante de Planck = 6,62606876.10-34J-s

c(m/s)= constante d'Einstein (2,99792458 .108 m/s) et Ω = 4pi stéradians

Nota : α varie en fonction de l'énergie des particules en cause sous la formulation

 

LA CONSTANTE DE COUPLAGE EN GRAVITATION

La formule ci-dessus, exprimée avec les paramètres spécifiques à la gravitation devient :

αg= m²./ Ω.h.c

α(nombre)= constante gravitationnelle de couplage

Gconstante de gravitation [8,385.10-10 m3-sr/kg-s²]

m(kg)= masse d'un fermion léger (genre proton 1,6.10-27 kg)

h(J-s= action (constante de Planck) = 6,626.10-34 J-s

Le calcul numérique, fait pour la particule proton (fermion léger) donne α# 10-39

Pour des particules plus lourdes, αg atteint des valeurs 20 fois + fortes, pour des fermions très léger, αg est 10 fois + faible

 

LA CONSTANTE DE COUPLAGE EN ÉLECTRICITE

La formule ci-dessus, adaptée avec les paramètres spécifiques à l'électricité devient :

αéQ².ζ’/ W.h.c

αé(nombre)= constante de couplage

Q(C)= charge électrique unitaire e

ζ’0(m-sr/F)= inductivité du vide (1,12941.1011 m-sr/F)

(ζ’0 est l’inverse de la permittivité ε0)

Le calcul numérique de cette constante de couplage, fait sur l’électron de 1° orbite de Bohr, donne une valeur de

αé = [(1,602.10-19)².(1,129.1011)]/(12,56).(1,06.10-34).(3.108) = 7,29735307.10-3 (# 1/137) dite constante de structure fine

On calcule aussi αé à l’aide de la formule de Sommerfeld:

E = [R.h.c.Z²/ n²].[1+ KS.(Z.αé/ n)²]

KS(nombre de Sommerfeld)= (8n- 6J -3) / (8J + 4)

n= nombre quantique principal

J= nombre quantique de moment cinétique global

Z= numéro atomique

R(m-1)= constante de Rydberg

Pour les électrons de haute énergie, la constante de couplage αé1

(qui ne porte plus alors le titre "de structure fine")   atteint la valeur de 7,8.10-3

 

LA CONSTANTE DE COUPLAGE EN INTERACTION FORTE

La formule ci-dessus, exprimée avec les paramètres spécifiques à l'interaction gravitante devient :

α= Q'².Y / h.Ω.c

avec Q'(m-kg/s)= couleur

Y(m-sr/kg)= facteur de milieu dit ‘’facteur de Yukawa’’ (9,32.10-27m-sr/kg)

Le calcul numérique donne α# 1,19.10-1

La valeur de varie avec l'importance énergétique des particules:

α= K.E1. Ω / l.E2²  avec K = constante numérique -et E2 est la plus haute énergie rencontrée en Q.C.D. On est dans des phénomènes inverses de ceux de l'électricité et de structure asymptotique (les quarks ne peuvent s'échapper de leur confinement, car ils sont fortement retenus par la force forte dès que (l) croit. Ils n'ont qu'une liberté asymptotique de s'échapper à distance (l) congrue

 

LA CONSTANTE DE COUPLAGE EN INTERACTION FAIBLE

La formule ci-dessus, exprimée avec les paramètres spécifiques à l'interaction faible -qui implique du magnétisme- devient

αf = K².μ / h.Ω.c

K(A-m)= masse magnétique ampèrienne (dite aussi magnétisme ou saveur  )

μ(m-sr/kg)= perméabilité magnétique du vide (1,2566370614.10-6 H-sr) qui est le facteur de milieu en cause

Le calcul numérique donne αf  # 6.10-15

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