Boson - Définition

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Photons émis dans le faisceau cohérent d'un laser.
Photons émis dans le faisceau cohérent d'un laser.

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Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés de symétrie (De manière générale le terme symétrie renvoie à l'existence, dans une...) particulières lors de l'échange de particules : un système de particules identiques se comportant comme des bosons est toujours dans un état totalement symétrique vis à vis de l'échange de particules. Toutes les particules élémentaires découvertes à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) sont soit des bosons, soit des fermions, ces derniers ne pouvant être que dans un état totalement antisymétrique vis à vis de l'échange de particules. Le théorème (Un théorème est une proposition qui peut être mathématiquement démontrée, c'est-à-dire une...) spin-statistique indique que les particules de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...) entier sont des bosons, alors que les particules de spin demi-entier sont des fermions.

Historique

Le terme de boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés...) provient du nom du physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la...) Satyendranath Bose (Satyendranath Bose (Kolkata, 1er janvier 1894 - 4 février 1974) est un physicien indien...) et aurait été utilisé pour la première fois par Paul Dirac (Paul Adrien Maurice Dirac (8 août 1902 à Bristol, Angleterre - 20 octobre 1984 à...)[1]. Bose réalisa le premier que pour expliquer la loi de Planck (La loi de Planck définit la distribution de luminance énergétique monochromatique du...) décrivant le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) du corps noir (En physique, un corps noir désigne un objet idéal dont le spectre électromagnétique ne dépend...) à partir des photons précédemment découverts par Einstein, il fallait supposer que les photons ne suivent pas la statistique de Maxwell-Boltzmann (La statistique de Maxwell-Boltzmann est une loi de probabilité ou distribution utilisée...), mais plutôt une statistique (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle...) désormais appelée statistique de Bose-Einstein (En mécanique quantique et en physique statistique, la statistique de Bose-Einstein...). Bose écrit un court article, Planck's Law and the Hypothesis of Light Quanta, qu'il envoie à Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le...), après un rejet par le Philosophical Magazine. Einstein est favorablement impressionné et le recommande pour publication dans Zeitschrift für Physik, et il en fait lui-même la traduction de l'anglais vers 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.

Échange de particules identiques en mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) quantique

Le fait qu'en mécanique quantique les particules ne suivent pas une trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...) déterminée rend l'identification des particules complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou...) impossible. Autrement dit, les particules sont indistinguables l'une de l'autre, et n'ont pas d'individualité propre. Il s'en suit qu'une mesure complète sur chacune des particules 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 un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) 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 les observables de cet ECOC. Si le système est composé d'une seule particule, et que l'on mesure toutes les observables de l'ECOC, d'après les postulats de la mécanique quantique, on va projeter l'état du système sur l'un des vecteur | up > , 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 | up > et l'autre est dans l'état | up' > , mais puisqu'on ne peut pas identifier les particules, on ne sait pas laquelle est dans | up > et laquelle est dans | up' > . En conséquence, le vecteur mathématique décrivant l'état du 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 opérateurs S et A qui projettent l'espace \mathcal E_{p,p'} sur un ket unique soit complètement symétrique lors de l'échange de deux particules (dans le cas de S), soit complètement antisymétrique (dans le cas de A). 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. Notons que des travaux récents de physique théorique (La physique théorique est la branche de la physique qui étudie l’aspect...) ont découverts d'autres moyens de résoudre ce problème qui conduisent à des comportements différents, tels que les anyons ou les plektons en théorie des cordes (La théorie des cordes est l'une des voies envisagées pour régler une des questions...). Toutefois, toutes les particules élémentaires décrites par le modèle standard sont soit des bosons lorsque leur spin est entier, soit des fermions lorsque leur spin est demi-entier.

Particules élémentaires se comportant comme des bosons

Parmi les particules élémentaires découvertes à ce jour, les bosons sont tous des bosons de jauge, c’est-à-dire qu'ils agissent comme des intermédiaires des interactions fondamentales :

  • le photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) est le vecteur de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) électromagnétique
  • les huit gluons de l'interaction forte
  • les bosons Z0, W- et W+ de l'interaction faible

Le modèle standard de la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants...) prédit l'existence de deux particules supplémentaires, le boson de Higgs (Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence a été...), objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) de nombreuses recherches, mais qui n'a pas été mis en évidence jusqu'à présent, et le graviton (Le graviton est une particule élémentaire hypothétique qui transmettrait la...), boson de jauge qui serait responsable de l'interaction gravitationnelle.

En étudiant les propriétés de biréfringence (La biréfringence est la propriété physique d'un matériau dans lequel la...) du vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), l'équipe italienne (Italienne est le nom communément utilisé pour le cordage servant a manœuvrer un enrouleur....) PVLAS a montré l'existence possible d'un boson très léger, l'axion (L’axion est une particule hypothétique, supposée stable, neutre et de très...)[2], de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) 1-1.5 meV. L'effet observé peut cependant être expliqué différemment (lien), et d'autres expériences sont en cours pour confirmer ou infirmer l'existence de cette particule.

Bosons composites

Les particules composées de particules plus élémentaires, comme par exemple les atomes ou le proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire...), peuvent être des fermions ou des bosons, selon leur spin total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un...) (entier pour les bosons, demi-entier pour les fermions).

Exemples de bosons composites :

  • atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) d'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...) 4
  • état de deux électrons formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts...) de Cooper dans les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) supraconducteurs
  • exciton (Un exciton est, en physique, une quasi-particule que l'on peut voir comme une paire...)
  • polariton (Les polaritons sont des quasiparticules issues du couplage fort entre une onde lumineuse et une...)

Phénomènes montrant le comportement bosonique

Alors que les fermions obéissent au principe d'exclusion de Pauli : " Un état quantique donné ne peut être occupé que par au plus un seul fermion (Le modèle standard classe les particules élémentaires en deux grandes...) ", ce n'est pas le cas des bosons. Un état quantique bosonique peut être occupé par un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) quelconque de bosons. C'est même l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...) qui se produit et les bosons tendent à se rassembler dans un état quantique donné.

En conséquence, comme de nombreux noyaux ou atomes sont des bosons, dans certains cas ils peuvent s'accumuler dans le même niveau. Ceci permet d'expliquer :

  • le rayonnement du corps noir, qui s'explique par la statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon....) des photons ;
  • la population macroscopique d'un mode unique de photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...) dans un laser ;
  • l'effondrement des atomes dans l'état de plus basse énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) à basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) (condensation de Bose-Einstein), qui est à la base des propriétés superfluides de l'Hélium 4 liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) à basse température ;
  • le groupement des photons lors de leur détection (expérience de Hanbury-Brown et Twiss)

Notes et références de l'article

  1. Biographie de Bose sur le site de Wolfram
  2. E. Zavattini et al. "Experimental observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) of optical rotation generated in vacuum by a magnetic field", Physical Review Letters, 96:110406 (2006)
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