Qu'est-ce qu'un boson?

En physique des particules, un boson est un type de particule qui obéit aux règles des statistiques de Bose-Einstein. Ces bosons ont également un rotation quantique avec contient une valeur entière, telle que 0, 1, -1, -2, 2, etc. (Par comparaison, il existe d'autres types de particules, appelées fermions, qui ont un spin demi-entier, tel que 1/2, -1/2, -3/2, etc.)

Quelle est la particularité d'un boson?

Les bosons sont parfois appelés particules de force, car ce sont les bosons qui contrôlent l'interaction des forces physiques, comme l'électromagnétisme et peut-être même la gravité elle-même..

Le nom boson vient du nom de famille du physicien indien Satyendra Nath Bose, un brillant physicien du début du XXe siècle qui a travaillé avec Albert Einstein pour développer une méthode d'analyse appelée statistiques Bose-Einstein. Dans un effort pour bien comprendre la loi de Planck (l'équation d'équilibre thermodynamique issue des travaux de Max Planck sur le problème du rayonnement du corps noir), Bose a d'abord proposé la méthode dans un article de 1924 essayant d'analyser le comportement des photons. Il a envoyé l'article à Einstein, qui a pu le faire publier… et a ensuite étendu le raisonnement de Bose au-delà des simples photons, mais aussi pour s'appliquer aux particules de matière.

L'un des effets les plus spectaculaires des statistiques de Bose-Einstein est la prédiction selon laquelle les bosons peuvent se chevaucher et coexister avec d'autres bosons. Les fermions, d'autre part, ne peuvent pas faire cela, car ils suivent le principe d'exclusion de Pauli (les chimistes se concentrent principalement sur la façon dont le principe d'exclusion de Pauli influe sur le comportement des électrons en orbite autour d'un noyau atomique.) Pour cette raison, il est possible pour photons pour devenir un laser et une certaine matière est capable de former l'état exotique d'un condensat de Bose-Einstein.

Bosons fondamentaux

Selon le modèle standard de la physique quantique, il existe un certain nombre de bosons fondamentaux, qui ne sont pas constitués de particules plus petites. Cela inclut les bosons de jauge de base, les particules qui interviennent dans les forces fondamentales de la physique (à l'exception de la gravité, que nous verrons dans un instant). Ces quatre bosons de calibre ont un spin 1 et ont tous été observés expérimentalement:

• Photon - Connus sous le nom de particule de lumière, les photons transportent toute l'énergie électromagnétique et agissent comme le boson de jauge qui médie la force des interactions électromagnétiques.
• Gluon - Les gluons assurent la médiation des interactions de la force nucléaire forte, qui lie les quarks pour former des protons et des neutrons et maintient également les protons et les neutrons ensemble dans le noyau d'un atome.
• W Boson - L'un des deux bosons de jauge impliqués dans la médiation de la faible force nucléaire.
• Z Boson - L'un des deux bosons de jauge impliqués dans la médiation de la faible force nucléaire.

En plus de ce qui précède, d'autres bosons fondamentaux sont prédits, mais sans confirmation expérimentale claire (pour le moment):

• Le boson de Higgs - Selon le modèle standard, le boson de Higgs est la particule qui donne naissance à toute la masse. Le 4 juillet 2012, les scientifiques du Large Hadron Collider ont annoncé qu'ils avaient de bonnes raisons de croire qu'ils avaient trouvé des preuves du boson de Higgs. D'autres recherches sont en cours pour tenter d'obtenir de meilleures informations sur les propriétés exactes de la particule. La particule devrait avoir une valeur de spin quantique de 0, c'est pourquoi elle est classée comme un boson.
• Graviton - Le graviton est une particule théorique qui n'a pas encore été détectée expérimentalement. Étant donné que les autres forces fondamentales - électromagnétisme, force nucléaire forte et force nucléaire faible - sont toutes expliquées en termes de boson de jauge qui assure la médiation de la force, il était naturel d'essayer d'utiliser le même mécanisme pour expliquer la gravité. La particule théorique résultante est le graviton, qui devrait avoir une valeur de spin quantique de 2.
• Superpartenaires bosoniques - Selon la théorie de la supersymétrie, chaque fermion aurait une contrepartie bosonique jusqu'ici non détectée. Puisqu'il y a 12 fermions fondamentaux, cela suggère que - si la supersymétrie est vraie - il y a 12 autres bosons fondamentaux qui n'ont pas encore été détectés, probablement parce qu'ils sont très instables et se sont désintégrés sous d'autres formes.

Bosons composites

Certains bosons se forment lorsque deux ou plusieurs particules se rejoignent pour créer une particule à spin entier, comme:

• Mesons - Les mésons se forment lorsque deux quarks se lient ensemble. Étant donné que les quarks sont des fermions et ont des spins demi-entiers, si deux d'entre eux sont liés ensemble, le spin de la particule résultante (qui est la somme des spins individuels) serait un entier, ce qui en ferait un boson.
• Atome d'hélium-4 - Un atome d'hélium-4 contient 2 protons, 2 neutrons et 2 électrons… et si vous additionnez tous ces spins, vous vous retrouverez avec un entier à chaque fois. L'hélium-4 est particulièrement remarquable car il devient un superfluide lorsqu'il est refroidi à des températures ultra-basses, ce qui en fait un brillant exemple des statistiques de Bose-Einstein en action.

Si vous suivez les mathématiques, toute particule composite qui contient un nombre pair de fermions va être un boson, car un nombre pair de demi-entiers va toujours s'additionner à un entier.