BOSONS ET FERMIONS

Classer les objets d’étude est une étape essentielle de la démarche scientifique, dans tous les domaines. Peu après la naissance de la physique moderne, il est apparu que le concept de spin permettait de distinguer deux classes d’objets quantiques : les bosons et les fermions. Rappelons que, dans les lois de la physique quantique, le spin est un moment angulaire intrinsèque à toute particule, notion reliée à la rotation d’un solide sur lui-même en mécanique classique (mais plus difficile à se représenter concrètement).

Le spin est soit nul, soit nécessairement multiple de la quantité h/4π, h représentant la constante de Planck. Les particules possèdent des comportements collectifs très différents selon que leur spin est un multiple pair ou impair de cette quantité. La classe des bosons regroupe les particules dont le spin est nul ou un multiple pair de h/4π ; la classe des fermions comprend celles dont le spin est un multiple impair de h/4π.

Les photons (bosons) et les électrons (fermions) sont les exemples fondamentaux de ces deux classes. Les fermions sont souvent considérés comme les composants de la matière tandis que les bosons servent de véhicules pour les forces d’interactions entre ces composants. Cette distinction n’est cependant pas entièrement satisfaisante car les gluons, qui sont des bosons, semblent bien être des composants essentiels de la matière nucléaire au même titre que les quarks, qui sont, eux, des fermions…

Quoi qu’il en soit, le classement en bosons et fermions ne se limite pas aux particules élémentaires. L’appartenance aux bosons ou aux fermions d'une particule composite – c’est-à-dire un regroupement de particules élémentaires – est liée à son propre spin, lui-même relié à la somme des spins des objets qui le constituent (et au moment orbital relatif de ces objets) par une relation issue de la théorie des représentations des groupes mathématiques. Il en résulte qu'un composé d’un nombre quelconque de bosons et d'un nombre n de fermions est un boson si n est pair, mais un fermion si n est impair. Ainsi, le proton et le neutron étant des fermions, le noyau d’hélium-4 (composé de 2 protons et 2 neutrons) est un boson tandis que celui d’hélium-3 (2 protons et 1 neutron) est un fermion.

Les bosons

Les bosons élémentaires sont les véhicules privilégiés des interactions fondamentales. Le photon est le vecteur de l’interaction électromagnétique et le gluon celui des interactions nucléaires fortes selon leurs descriptions modernes par, respectivement, l’électrodynamique et la chromodynamique quantiques. Leurs masses nulles semblent liées à une propriété de symétrie (dite de jauge) des forces qu’ils véhiculent. Avec les bosons faibles W et Z, qui, eux, ont des masses élevées, ils constituent la famille des bosons de jauge, dont le spin est égal à h/2π (par un changement adéquat d’unités qui conduit à h/2π = 1, on écrit souvent qu’ils sont de spin 1). Les bosons de Higgs, particules comprises comme les traces d’une symétrie spontanément brisée ont quant à eux un spin nul. S’ils existent, les gravitons – messagers quantiques de la gravitation – seraient des bosons de spin égal à h/π (donc de spin 2 dans les unités adéquates mentionnées plus haut), mais il n’existe à ce jour aucune théorie quantique cohérente de l’interaction gravitationnelle et le concept de graviton est absent de ses descriptions classiques telles que la théorie de la relativité générale d’Einstein.

Des objets composites – comme les mésons (associations d’un nombre égal de quarks et d’antiquarks, accompagnés de gluons), certains noyaux ou certains atomes – sont également des bosons. Le nom « boson » fait référence à Satyendranath Bose (1894-1974), physicien indien qui a élaboré en 1924 la théorie du comportement collectif des photons afin de comprendre[...]