Les bosons

Les bosons constituent l'une des deux grandes classes de particules élémentaires ou composites dans la physique des particules, l'autre étant les fermions. Leur caractéristique fondamentale qui les distingue des fermions est leur spin. Les bosons possèdent un spin qui est un nombre entier (0, 1, 2, etc.), mesuré en unités de la constante de Planck réduite (). Cette propriété a des implications profondes sur leur comportement collectif, notamment en ce qui concerne la statistique quantique qui les régit : ils obéissent à la statistique de Bose-Einstein.

La principale conséquence du spin entier pour les bosons est qu'ils ne sont pas soumis au principe d'exclusion de Pauli. Ce principe, fondamental pour les fermions (qui ont un spin demi-entier, comme 1/2, 3/2, etc.), stipule qu'il est impossible pour deux fermions identiques d'occuper simultanément le même état quantique. Pour les bosons, c'est exactement le contraire : un nombre arbitrairement grand de bosons identiques peuvent occuper le même état quantique. Cette capacité à "se condenser" dans le même état est à l'origine de phénomènes macroscopiques intéressants.

Dans le Modèle standard de la physique des particules, les bosons jouent plusieurs rôles essentiels. La plupart des bosons élémentaires sont associés à l'une des forces fondamentales de l'univers. On les appelle alors des bosons de jauge, et ils agissent comme des médiateurs de ces interactions :

• Le photon est le boson de jauge associé à l'interaction électromagnétique. Il a un spin de 1. C'est la particule de lumière et de toutes les formes de rayonnement électromagnétique.

• Les gluons sont les bosons de jauge de l'interaction forte, qui lie les quarks entre eux pour former les protons et les neutrons, et lie les protons et les neutrons au sein du noyau atomique. Il en existe huit types différents, chacun avec un spin de 1.

ʉۢ Les bosons W et Z sont les m̩diateurs de l'interaction faible, responsable de certaines formes de radioactivit̩ et d̩terminante dans les r̩actions nucl̩aires au coeur du Soleil. Ils ont ̩galement un spin de 1, mais contrairement aux photons et aux gluons qui sont sans masse, les bosons W et Z sont tr̬s massifs, ce qui explique la port̩e extr̻mement courte de l'interaction faible.

En plus des bosons de jauge, le Modèle standard inclut un autre boson élémentaire très important  :

• Le boson de Higgs est un boson scalaire (spin 0). Il est associé au champ de Higgs, qui imprègne tout l'univers. L'interaction des autres particules (fermions et bosons W/Z) avec ce champ est ce qui leur confère leur masse. Le boson de Higgs est l'excitation quantique de ce champ.

• Certains atomes, comme l'hélium 4 (⁴He), sont des bosons composites. Un atome d'hélium 4 est composé de deux protons, deux neutrons et deux électrons. Chacun de ces constituants est un fermion (spin 1/2), mais la somme de leurs spins (en tenant compte de leur configuration) donne un spin total entier (0 dans le cas de l'état fondamental de ⁴He).

•  Les mésons, qui sont des particules composées d'un quark et d'un antiquark (chacun un fermion), peuvent avoir un spin total de 0 ou 1 et sont donc des bosons.

• Dans certains phénomènes à basse température, comme la supraconductivité conventionnelle, des paires d'électrons (appelées paires de Cooper) se forment. Bien qu'un électron soit un fermion, une paire de deux électrons liés se comporte comme un boson de spin 0.

• Le condensat de Bose-Einstein (BEC).- Lorsque des bosons sont refroidis à des températures extrêmement basses, très proches du zéro absolu, une fraction significative d'entre eux tombent dans l'état quantique de plus basse énergie. Ils deviennent alors indiscernables et se comportent comme un seul bloc quantique macroscopique. C'est un état de la matière distinct, observé pour la première fois expérimentalement en 1995 avec des atomes alcalins refroidis par laser et piégés magnétiquement.

• La superfluidité. - Les condensats de Bose-Einstein, comme l'hélium 4 liquide à très basse température, peuvent présenter une superfluidité, c'est-à-dire la capacité de s'écouler sans aucune viscosité ni friction interne. Ce comportement est une conséquence directe de la nature bosonique et de la condensation.

• Les lasers. - Le fonctionnement d'un laser repose sur l'émission stimulée de photons. Les photons étant des bosons, ils peuvent tous être produits dans le même état (même énergie, même phase, même direction), ce qui génère un faisceau de lumière cohérent et intense.