Les bosons intermédiares

Ce sont des bosons car, comme tous les porteurs de force dans le Modèle standard de la physique des particules, ils possèdent un spin entier, en l'occurrence un spin égal à 1. Une caractéristique majeure qui les distingue des médiateurs des autres forces est leur masse exceptionnellement élevée. Les bosons W⁺ et W⁻ ont une masse d'environ 80,4 GeV/c² (gigaelectronvolts divisé par la vitesse de la lumière au carré), soit environ 80 fois la masse d'un proton, tandis que le boson Z⁰ a une masse légèrement supérieure, d'environ 91,2 GeV/c². Cette masse colossale est directement responsable de la portée extrêmement courte de l'interaction faible. Selon les principes de la mécanique quantique et de la relativité, l'échange d'une particule très massive ne peut se produire que sur des distances infimes et pour des durées très courtes (dictées par le principe d'incertitude temps-énergie de Heisenberg), limitant ainsi la portée de la force à des distances subatomiques bien inférieures au diamètre d'un noyau atomique (de l'ordre de 10⁻¹⁸ mètres). C'est cette portée très limitée qui justifie le nom d'interaction "faible", car sur des distances typiques où d'autres forces (électromagnétique ou forte) agissent, l'interaction faible est effectivement très atténuée.

L'interaction faible, médiatisée par ces bosons, est responsable d'un certain nombre de phénomènes importants en physique des particules et nucléaire. Le plus connu est la radioactivité bêta, où un noyau atomique se désintègre en émettant un électron ou un positron et un neutrino ou antineutrino. Par exemple, dans la désintégration bêta moins (β⁻), un neutron (composé d'un quark up et de deux quarks down) dans un noyau peut se transformer en un proton (deux quarks up, un quark down) en émettant un électron et un antineutrino électronique. Ce processus fondamental implique en réalité la transformation d'un quark 'down' du neutron en un quark 'up' du proton via l'émission d'un boson W⁻ virtuel. Ce W⁻ virtuel, très massif et instable, se désintègre ensuite presque instantanément en un électron et un antineutrino. De manière similaire, la désintégration bêta plus (β⁺) implique un boson W⁺ (qui se désintègre en un positron et un neutrino) et la transformation d'un quark 'up' en 'down'. Ces processus impliquent un changement de saveur (flavour) des quarks (passage de 'down' à 'up' ou vice versa) et des leptons (création d'un électron/positron et d'un neutrino/antineutrino associés), ce qui est une caractéristique spéciale de l'interaction faible : c'est la seule force capable de changer la saveur des particules fondamentales.

Outre les bosons W chargés (W⁺ et W⁻) qui médient les interactions impliquant un transfert de charge électrique (on parle de 'courants chargés'), il existe le boson Z⁰, qui est électriquement neutre. Le boson Z⁰ médie ce qu'on appelle les 'courants neutres'. Ces interactions impliquent l'échange d'un Z⁰ mais ne changent pas la charge électrique ou la saveur des particules interagissantes.

Un exemple classique est la diffusion élastique d'un neutrino sur une autre particule (par exemple, un électron : ν + e⁻ → ν + e⁻). Le neutrino, n'ayant pas de charge électrique, ne peut pas interagir par l'intermédiaire du photon, et sa faible masse et son absence de charge de couleur l'empêchent d'interagir fortement ou gravitationnellement de manière significative au niveau des particules. 

L'existence des bosons W et Z a été prédite dans les années 1960 dans le cadre de la théorie de l'unification électrofaible, développée par Sheldon Glashow, Abdus Salam et Steven Weinberg (qui ont reçu le prix Nobel pour leurs travaux en 1979). Cette théorie postule que l'interaction électromagnétique et l'interaction faible, bien que très différentes à basse énergie (la portée infinie de l'une contrastant avec la portée ultra-courte de l'autre, et la force beaucoup plus faible de l'interaction faible sur la plupart des échelles), sont en réalité deux manifestations d'une seule et même force à très haute énergie. La théorie électrofaible explique que les masses élevées des bosons W et Z, responsables de la courte portée et de la "faiblesse" apparente de l'interaction à basse énergie, sont acquises via un mécanisme appelé le mécanisme de Higgs, impliquant le champ de Higgs et son quantum, le boson de Higgs.

La confirmation expérimentale de l'existence des bosons W et Z a été un jalon majeur de la physique des particules et une preuve éclatante de la validité du Modèle standard et de la théorie électrofaible. Ils ont été découverts en 1983 aux collisionneurs de protons et antiprotons (l'Accélérateur Synchrotron à Protons du CERN, avec les expériences UA1 dirigée par Carlo Rubbia et UA2) à Genève, précisément aux masses prédites par la théorie. Carlo Rubbia et Simon van der Meer ont reçu le prix Nobel de physique en 1984 pour leur contribution décisive à la découverte de ces particules.