BOSONS ÉLÉMENTAIRES

Particules au comportement grégaire, les bosons élémentaires sont les véhicules privilégiés des interactions fondamentales en physique nucléaire. Contrairement à l’autre famille de particules – les fermions, comme l’électron ou les quarks –, les bosons ont un moment angulaire intrinsèque (spin) nul ou multiple de la quantité h/2π. Le photon est l’archétype de cette famille. Photons, gluons et bosons faibles W et Z constituent la famille des bosons de jauge, dont le spin est égal à h/2π. Le boson de Higgs, de spin nul, a un statut spécial et joue un rôle fondamental dans la compréhension des masses des particules élémentaires. Des quasi-particules de type bosonique sont un des concepts essentiels de la compréhension quantique du comportement des atomes dans un solide ou de celui des électrons dans les plasmas. Enfin, parmi les bosons hypothétiques, un graviton de spin égal à h/π pourrait jouer le rôle de médiateur des interactions gravitationnelles dans une approche quantique qui reste à préciser.

Définition des bosons

Par définition, les bosons sont les particules, élémentaires ou composites, de moment angulaire intrinsèque – ou spin, notion évoquant la rotation d’un solide sur lui-même en mécanique classique, mais plus difficile à se représenter concrètement – nul ou multiple de la quantité h/2π (avec h, la constante de Planck). Leur nom rappelle celui de Satyendranath Bose (1894-1974), physicien indien qui a élaboré en 1924 la théorie du comportement collectif des photons, comportement qu’Albert Einstein (1879-1955) a généralisé en 1925 aux atomes de spin nul ou multiple de la quantitéh/2π. Les bosons s’opposent ainsi aux fermions, dont le spin est un multiple impair de h/4π.

Le spin d’une particule composite étant relié à la somme des spins de ses participants par une relation qui implique qu’un composé de bosons et d’un nombre n de fermions identiques est un boson si n est pair, mais au contraire un fermion si n est impair, les noyaux d'hélium ou les molécules de dihydrogène sont ainsi des bosons composites. Les ensembles de bosons obéissent à la loi statistique de Bose-Einstein qui quantifie la probabilité d'occupation d'un état d'énergie E, à température T, comme inversement proportionnelle au facteur exp(E/kT) – 1, où k est la constante de Boltzmann. Cette loi implique qu’à basse température les états d’énergie minimale sont beaucoup plus peuplés que les autres. Les ensembles de bosons sont sujets, à très basse température, au phénomène appelé « condensation de Bose-Einstein », qui favorise l’accumulation des particules dans un même état quantique ; ce phénomène a été observé à partir de 1995 dans des gaz d’atomes de rubidium refroidis à environ 100 nK.