Boson - Définition et Explications

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Historique

Le terme de boson provient du nom du physicien Satyendranath Bose et aurait été utilisé pour la première fois par Paul Dirac. Bose se rendit compte le premier que pour expliquer la loi de Planck décrivant le rayonnement du corps noir à partir des photons précédemment découverts par Einstein, il fallait supposer que les photons ne suivent pas la statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon....) de Maxwell-Boltzmann, mais plutôt une statistique désormais appelée statistique de Bose-Einstein (En mécanique quantique, la statistique de Bose-Einstein désigne la distribution statistique de...). 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 (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés...) à d'autres particules telles que les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) et contribuer à la popularité du concept de boson.

Particules élémentaires se comportant comme des bosons

Parmi 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...), 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 (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) 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.

L'existence possible d'autres bosons en dehors du modèle standard est actuellement recherchée, comme par exemple dans le cas de l'axion (L’axion est une particule hypothétique, supposée stable, neutre et de très...) qui serait un boson très léger.

Échange de particules identiques en mécanique quantique

Le fait qu'en mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) 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, des particules qui ne diffèrent pas par leur masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) ou leur état interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...) sont complètement indistinguables l'une de l'autre, et n'ont pas d'individualité propre. Il s'ensuit 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. Cette approche n'est pas limitée au cas de deux particules et peut être généralisée à un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) quelconque de particules. Des travaux récents de physique théorique (La physique théorique est la branche de la physique qui étudie l’aspect théorique des lois...) ont découvert 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 (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...) est entier, soit des fermions lorsque leur spin est demi-entier.

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