Boson

Photons émis dans le faisceau cohérent d'un laser.

Enmécanique quantique,unbosonest uneparticule subatomiquedespinentier qui obéit à lastatistique de Bose-Einstein.Lethéorème spin-statistiquedifférencie les bosons desfermions,qui ont un spindemi-entier.

La famille des bosons inclut desparticules élémentaires:lesphotons,lesgluons,les bosonsZetW(ce sont les quatrebosons de jaugedumodèle standard), leboson de Higgs(découvert en 2012), et legravitonencore théorique; ainsi que desparticules composites(lesmésonset les noyaux qui ont unnombre de massepair comme ledeutérium,l'hélium 4 ou leplomb 208); et quelquesquasi-particules(paires de Cooper,plasmonsetphonons).

Alors que les particules élémentaires qui constituent la matière (leptonsetquarks) sont des fermions, les bosons élémentaires sont vecteurs de force et servent de « colle » pour lier la matière.

La statistique de Bose-Einstein implique unetransition de phaseà basse température, responsable notamment de lasuperfluiditéde l'hélium 4 ou de lasupraconductivitéde certains matériaux. Cela découle du fait que cette statistique ne limite pas le nombre de bosons qui peuvent occuper le mêmeétat quantique.Contrairement aux bosons, deux fermions identiques ne peuvent occuper le même espace quantique.

Plus généralement, les bosons montrent une tendance à s'agréger lors des processus d'interaction entre les particules, comme lors de l'émission stimulée de lumière qui donne lieu aulaser.

Histoire

Le terme de boson provient du nom du physicien indienSatyendranath Boseet aurait été utilisé pour la première fois parPaul Dirac.Bose se rendit compte le premier que pour expliquer laloi de Planckdécrivant le rayonnement du corps noir à partir desphotonsprécédemment découverts parEinstein,il fallait supposer que les photons ne suivent pas lastatistique de Maxwell-Boltzmann,mais plutôt une statistique désormais appeléestatistique de Bose-Einstein.Bose écrit un court article,Planck's Law and the Hypothesis of Light Quanta,qu'il envoie àAlbert Einstein,après un rejet par lePhilosophical Magazine.Einstein est favorablement impressionné et le recommande pour publication dansZeitschrift für Physik,et il en fait lui-même la traduction de l'anglaisvers l'allemand.Einstein va également étendre la notion de boson à d'autres particules telles que les atomes, et contribuer à la popularité du concept de boson. Ces particules sont indistinguables les unes des autres et n'ont pas d'individualité propre. Il s'ensuit qu'une mesure complète sur chacune d'entre elles ne peut suffire à caractériser complètement l'état du système, ce phénomène étant dénommé dégénérescence d'échange.

Pour illustrer ce que l'on entend par dégénérescence d'échange, supposons donné unensemble complet d'observables qui commutent(ECOC) pour une particule et notons$\{|u_{1}\rangle,|u_{2}\rangle,\ldots \}$la base de vecteurs propres communs à toutes lesobservablesde cet ECOC. Si le système est composé d'une seule particule, et que l'on mesure toutes les observables de l'ECOC, d'après lespostulats de la mécanique quantique,on va projeter l'état du système sur l'un des vecteurs∣u_p⟩,de sorte que l'état du système après la mesure sera complètement connu. Supposons maintenant que le système soit composé de deux particules et que l'on effectue une mesure complète de chacune des particules. Le résultat que l'on obtient sera: une particule est dans l'état∣u_p⟩et l'autre est dans l'état∣u_p'⟩,mais puisqu'on ne peut pasidentifierles particules, on ne sait pas laquelle est dans∣u_p⟩et laquelle est dans∣u_p'⟩.En conséquence, le vecteur mathématique décrivant l'étatdu système est indéterminé. Ce peut être:

1. $|u_{p}\rangle \otimes |u_{p'}\rangle$,
2. $|u_{p'}\rangle \otimes |u_{p}\rangle$,en échangeant le rôle des particules par rapport à ci-dessus,
3. ou n'importe quel vecteur de l'espace${\mathcal {E}}_{p,p'}$engendré par ces deux vecteurs.

Pour lever la dégénérescence d'échange,on construit deux opérateursSetAqui projettent l'espace${\mathcal {E}}_{p,p'}$sur unketunique soit complètement symétrique lors de l'échange de deux particules (dans le cas deS), soit complètement antisymétrique (dans le cas deA). On postule ensuite que le vecteur représentant correctement l'état du système est ce ket unique. Les particules ayant un vecteur d'état complètement symétrique sont les bosons, tandis que celles ayant un vecteur d'état complètement antisymétrique sont les fermions. Cette approche n'est pas limitée au cas de deux particules et peut être généralisée à un nombre quelconque de particules. Des travaux récents dephysique théoriqueont découvert d'autres moyens de résoudre ce problème qui conduisent à des comportements différents, tels que lesanyonsou lesplektonsenthéorie des cordes.Toutefois, toutes les particules élémentaires décrites par lemodèle standardsont soit des bosons lorsque leurspinest entier, soit desfermionslorsque leur spin est demi-entier.

Bosons élémentaires

Toutes lesparticules élémentairesdécouvertes à ce jour sont soit des fermions, soit des bosons. Tous les bosons élémentaires observés sont desbosons de jauge,c’est-à-dire qu'ils agissent comme des intermédiaires desinteractions fondamentales,sauf leboson de Higgsqui est un boson scalaire:

• lesphotons,vecteurs de l'interaction électromagnétique,
• les huitgluonsde l'interaction forte,
• les bosons Z⁰,W⁻et W⁺de l'interaction faible.

Lesbosons de Higgsdonnent leur masse aux bosons Z et W via lemécanisme de Higgs.Leur existence a été confirmée auCERNle14 mars 2013.

Legraviton,boson de jauge hypothétiquement responsable del'interaction gravitationnelle,n'entre pas dans le cadre du modèle standard et toutes les tentatives de le lier à ce dernier ont pour l'instant échoué.

L'existence possible d'autres bosons en dehors du modèle standard est actuellement recherchée, comme dans le cas de l'axionqui serait un boson très léger.

Bosons composites

Les particules composées de particules plus élémentaires, comme les atomes ou leproton,peuvent être desfermionsou des bosons, selon leurspintotal (entier pour les bosons, demi-entier pour les fermions).

Exemples de bosons composites:

• atome d'hélium 4
• état de deux électrons formant une paire de Cooper dans les matériauxsupraconducteurs
• exciton
• polariton

Autres dénominations de bosons

Selon leur spin, les bosons peuvent être amenés à être décrits sous d'autres dénominations.

Boson vecteur

Le boson vecteur est un boson de spin 1. Les bosons vecteurs élémentaires sont lesbosons de jauge.Il existe aussi des bosons composés vecteurs: lesmésons vecteurs.

Boson scalaire

Le boson scalaire est un boson de spin 0. Le seul boson scalaire élémentaire est leboson de Higgs,bien que certaines théories en évoquent d'autres comme l'inflaton.Parmi les différents mésons pseudoscalaires, on peut citer lepion.

Phénomènes montrant le comportement bosonique

Condensation de bosons – des atomes derubidium– dans un état quantique unique lorsque l'on baisse la température.

Alors que les fermions obéissent auprincipe d'exclusion de Pauli:«Unétat quantiquedonné ne pouvant être occupé que par au plus un fermion», ce n'est pas le cas des bosons. Un état quantique bosonique peut être occupé par un nombre quelconque de bosons. Et inversement aux fermions, à très basse température les bosons tendent à se rassembler dans un état quantique donné (l'état fondamental).

Ce comportement permet d'expliquer entre autres:

• lerayonnement du corps noir,qui s'explique par la statistique des photons;
• la population macroscopique d'un mode unique de photon dans unlaser;
• le groupement des photons lors de leur détection (expérience de Hanbury-Brown et Twiss);
• la transition de phase vers unétat cohérentà basse température, c'est-à-dire dans lequel deux parties du système puissent interférer. Une telle transition de phase est observée dans différents systèmes:
  • dans les gaz atomiques dilués, qui sont l'exemple le plus proche de lacondensation de Bose-Einsteind'ungaz parfaitde bosons envisagée initialement par Bose et Einstein;
  • dans l'hélium 4 qui devientsuperfluideà basse température;
  • dans certains métaux qui deviennentsupraconducteursà basse température.

Dans ces deux derniers cas, les interactions entre particules sont fortes et l'état fondamental dans lequel se développe le condensat est très différent de l'état fondamental du système en l'absence de condensat. En particulier, il existe de fortes corrélations entre les atomes.

Notes et références

• (en)Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé«Boson»(voir la liste des auteurs).

• (en)Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé«Vector boson»(voir la liste des auteurs).

• (en)Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé«Scalar boson»(voir la liste des auteurs).

Voir aussi

Articles connexes

• Boson de Higgs
• Condensat de Bose-Einstein
• FermionetAnyon
• Particules indiscernables
• Statistique de Bose-Einstein
• Boson de Schwinger

Liens externes

• Caractéristiques des bosons de jauges et de Higgsd'après leParticle Data Group

Bibliographie

• (de)S.N. Bose. "Plancks Gesetz und Lichtquantenhypothese",Zeitschrift für Physik26:178-181 (1924).(La traduction en Allemand de l'article de Bose sur la loi de Planck)