Particule élémentaire/Bosons

Début de la boite de navigation du chapitre

fin de la boite de navigation du chapitre

Définition des bosons

Les bosons peuvent être considérés comme les vecteurs des quatre interactions fondamentales, à savoir la force électromagnétique, les forces nucléaires forte et faible et la force gravitationnelle (pour cette dernière force, le doute persiste). Ils transportent ainsi les quanta d'énergie nécessaires aux interactions. Il existe un autre boson qui serait responsable de la masse des particules. Ainsi tous ces bosons peuvent être classés en deux sous-classes qui sont les bosons de jauge et les « autres ».

Propriété des bosons

1. Ils possèdent un spin entier et sont ainsi sujet à la statistique de Bose-Einstein ;
2. Ils peuvent occuper des états quantiques identiques dans un même système ;
3. Ils sont caractérisés par des groupes mathématiques dit de jauge ;
4. La charge électrique, le spin et la charge de couleur sont les caractéristiques représentant les bosons.

Bosons de jauge

Bosons de jauge

Ils existent en tout douze bosons de jauge qui sont ainsi vecteurs des interactions électromagnétique, nucléaire forte et faible. Seul les bosons W ^- et W⁺ représentent une paire particule/antiparticule. Tous les autres sont leur propre antiparticule.

Étudions un à un ces bosons :

Le photon

Le photon

De masse nulle, il est vecteur de la force électromagnétique. Il ne possède bien sûr pas de charge de couleur, ni de charge électrique. Sa masse nulle confère à l'électromagnétisme une portée infinie en raison du principe d'incertitude d'Heisenberg temps-énergie (cf chapitre précédent pour démonstration). Le photon est définie mathématiquement par le groupe de symétrie U(1).

Les bosons faibles

Les bosons de l’interaction faible

Les bosons Z, W ^- et W⁺ : vecteurs de l’interaction nucléaire faible, ils possèdent tous une masse assez élevée pour des particules élémentaires (plusieurs dizaines de GeV/c²). Le W ^- possède une charge électrique négative (-e) et le W⁺ une charge positive. Ils sont décris mathématiquement par le groupe de symétrie SU(2).

Les gluons

Les gluons

Vecteurs de l’interaction forte, les gluons ne possèdent pas de masse (quelques doutes subsistent tout de même). Nous pourrions alors penser que, comme les photons, la portée de l’interaction forte serait infinie mais il en est bien autrement. Ils possèdent tous une charge de couleur et une d'anti-couleur. Il existe ainsi huit types de gluons. Ils ne possèdent pas de charge électrique, mais une charge de couleur :

($r{\bar {g}}+g{\bar {r}})$ / ${\sqrt {2}}$

($r{\bar {b}}+b{\bar {r}})$ / ${\sqrt {2}}$

($g{\bar {b}}+b{\bar {g}})$ / ${\sqrt {2}}$

i ($g{\bar {r}}-r{\bar {g}})$ / ${\sqrt {2}}$

i ($b{\bar {r}}-r{\bar {b}})$ / ${\sqrt {2}}$

i ($g{\bar {b}}-b{\bar {g}})$ / ${\sqrt {2}}$

($r{\bar {r}}-b{\bar {b}})$ / ${\sqrt {2}}$

($r{\bar {r}}+b{\bar {b}}-2g{\bar {g}})$ / ${\sqrt {2}}$

Voilà les huit charges de couleurs que nous pouvons rencontrer pour les gluons.

Mathématiquement, le groupe SU(3) décrit le comportement des gluons (surtout la QCD en fait).

Autres bosons

Nous avons les vecteurs des trois forces décrites par le modèle standard des particules (électromagnétisme, nucléaire forte et faible). Cependant, la gravitation n'a pas été décrite et bien que certaines théories ne font pas appel à son boson vecteur, le graviton existe dans certains cadres théoriques (gravitation quantique). Un autre boson, celui responsable de la masse existe aussi.

Nous aborderons en dernier le cas assez spécial du méson pi qui peut être perçu comme un boson (non élémentaire).

Le graviton

Le graviton

De masse nulle, il serait vecteur de la gravitation dans certains cadres théoriques. Il n'a pas encore été détecté et c’est pourquoi il se trouve dans cette catégorie. S' il venait à être découvert, il appartiendrait à la catégorie boson de jauge (puisque vecteur d'une des quatre interactions fondamentales). Théoriquement, il posséderait un spin de deux et une charge électrique nulle.

Le boson de Higgs

Le boson de Higgs

Sûrement découvert au CERN le 4 juillet 2012 (certitude de 99,999%), ce boson diverge un peu des autres. De masse très élevée (environ 125 GeV/c²), de charge électrique nulle et de spin 0, il serait responsable de la masse des particules. Le champ de Higgs permet de préserver la symétrie à haute énergie et d'expliquer la brisure de la symétrie à basse énergie. Il est responsable de la masse des bosons électrofaibles, mais interagit aussi avec les fermions (quarks et leptons), qui acquièrent ainsi une « masse ».

Afin de mieux appréhender ce phénomène, une célèbre métaphore existe : la métaphore du cocktail :

Le champ de Higgs est comparé au groupe des personnes qui, au départ, remplissent un salon de manière uniforme. Lorsqu'une personnalité politique très connue entre dans le salon, elle attire les militants autour d'elle, ce qui lui donne une « masse » importante. Cet attroupement correspond au mécanisme de Higgs et c’est lui qui attribue une masse aux particules.

Ce n’est pas le boson qui donne directement une masse aux particules : le boson est une manifestation du champ de Higgs et du mécanisme de Higgs qui donne sa masse aux particules. Ceci est comparable, dans cette métaphore, au phénomène suivant: Une personne extérieure, depuis le couloir, répand une rumeur aux personnes situées près de la porte, un attroupement de militants se forme de la même manière et se répand, comme une vague, à travers la pièce pour transmettre l'information; cet attroupement correspond au boson de Higgs. L'observation du boson de Higgs serait donc un indice très fort de l’existence du mécanisme de Higgs, mais celui-ci pourrait exister même si le boson, lui, n'existe pas.

Le méson pi

Un méson est une particule composite (c’est-à-dire non élémentaire) composée d'un nombre pair de quarks et d'antiquarks.

Le méson pi (ou pion)

Comme nous l'avons vu précédemment, les gluons sont responsables de l'interaction forte et permettent aux quarks de rester lier. Cependant, quand est-il des nucléons ? Pourquoi sont-ils liés ? Pas par l’électromagnétisme puisque le neutron est neutre, surement pas par l'interaction gravitationnelle qui est bien trop faible, ils ne possèdent pas de charge de couleur ... Et bien en fait, c’est une particule composite qui permet de lier les nucléons entre eux au sein du noyau atomique, il s'agit du pion.

Il existe trois pions :

π⁺ : $u{\bar {d}}$ : charge positive
​ π^- : $d{\bar {u}}$ : charge négative
​ π⁰ : superposition quantique de $u{\bar {u}}$ et $d{\bar {d}}$ telle que ($u{\bar {u}}$ - $d{\bar {d}}$)/${\sqrt {2}}$ : non chargé

À droite des symboles, il s'agit de la composition en quarks. Ces particules sont de six sortes, appelées saveurs: parmi ces 6 saveurs d veut dire Down et u Up. Les symboles ${\bar {u}}$ ou ${\bar {d}}$ servent à décrire les antiquarks. Donc par exemple, le pion neutre π⁰, est une superposition d'une paire quark-antiquark up et d'une paire quark-antiquark down.

Ainsi, on voit bien que puisque les pions sont composés de deux quarks, il s'agit bien de mésons.

Tous les pions ont un spin nul.

Puisque les pions sont composés de quarks, ils portent indirectement des charges de couleurs et c’est par échanges de pions entre nucléons que ces derniers restent liés. Cependant cet échange de particule possédant des charges de couleurs à des conséquences sur le noyau : lorsqu'un nucléon "envoie" un pion neutre (π⁰), rien ne se passe de particulier mais si un nucléon procède à un échange via un pion électriquement chargé, il se change respectivement en proton ou en neutron suivant sa nature première.

Statistique Bose-Einstein

• voir la leçon Distributions statistiques des particules/Statistique de Bose-Einstein du Département:Thermodynamique et physique statistique.