BOSONS ÉLÉMENTAIRES

Le photon

La quantification des champs associe l’échange de particules élémentaires aux interactions fondamentales. L’exemple le plus fameux est le photon, quantum du champ électromagnétique inventé par Einstein en 1905 pour expliquer le rayonnement du corps noir et l’effet photoélectrique. Le développement de l’électrodynamique quantique à partir des années 1920 donne au photon un rôle central dans la description des interactions électromagnétiques. Manifestation exemplaire de la dualité « onde-corpuscule », il apparaît à la fois comme un « paquet d’onde » caractérisé par une longueur d’onde, une polarisation et une direction de propagation, et aussi comme un état quasi localisé de masse nulle, de durée de vie infinie en l’absence d’interactions avec d’autres particules, de vitesse constamment égale à la célérité c (proche de 300 000 km/s), et de spin h/2π. L’énergie E du photon est reliée à la fréquence v de l’onde associée par la relation de Planck (E = hv), et les deux états de projection de spin sur un axe représentent les deux états de polarisation de l’onde. L’électrodynamique quantique explicite les interactions entre toutes les particules élémentaires électriquement chargées par un unique couplage ponctuel, proportionnel à la charge de la particule et conservant la nature de la particule.

L’intensité de cette force électromagnétique élémentaire est mesurée par la constante α = e²/2hε₀c, où e est la charge de l’électron, h la constante de Planck, c la célérité de la lumière et ε₀la permittivité du vide ; α vaut approximativement 1/137.

Gluons et modèle standard des interactions fondamentales

De façon similaire, les interactions nucléaires fortes et faibles sont décrites à partir des années 1970 par l'échange de bosons élémentaires : les gluons et les bosons W⁺, W^– et Z⁰. Leur existence a été prédite par les théories de jauge des interactions nucléaires et leur découverte expérimentale est à la base de la confiance qu’on accorde à ce qu’il est convenu d’appeler le modèle standard des interactions fondamentales.

Comme le photon, les gluons ont une masse et une charge électrique nulles, et un spin égal à h/2π. Leur particularité est qu’ils sont porteurs d’une charge dite « de couleur » qui peut prendre huit valeurs différentes et qui leur permet de véhiculer les interactions nucléaires fortes en interagissant avec des particules elles-mêmes porteuses d’une charge de couleur : les quarks. Présents dans tous les hadrons (particules composites), les gluons jouent un rôle de ciment nucléaire, ce qui explique leur nom. Ils ne peuvent se propager de façon isolée sur des distances supérieures au femtomètre (10^–15 m) et restent confinés à l’intérieur des hadrons, comme les protons, les neutrons et les mésons. Leur existence a été confirmée en 1979 par l'étude des réactions d'annihilation d’un électron et d’un positron au collisionneur PETRA (pour Positron-Electron Tandem Ring Accelerator) du centre de recherche DESY, à Hambourg (Allemagne). Dans quelque 10 % des cas, les particules produites se regroupaient en trois jets, signe de la présence d'un gluon accompagnant la paire quark-antiquark primitivement produite. La chromodynamique quantique, construite sur le modèle de l’électrodynamique quantique, explicite les interactions nucléaires fortes élémentaires comme dues aux différents couplages des gluons, avec les quarks ou d’autres gluons.

Les couplages sont des matrices dans l’espace des couleurs, ce qui rend compte du fait que l’émission d’un gluon modifie la couleur du quark (ou du gluon) qui l’émet. L’intensité de l’interaction forte est exprimée par un nombre α_s définie par analogie avec le cas électromagnétique,[...]