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PARTICULES ÉLÉMENTAIRES Bosons

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Particules au comportement grégaire, les bosons élémentaires sont les véhicules privilégiés des interactions fondamentales. Contrairement aux fermions, ils 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. Des bosons de spin nul – et en particulier le boson de Higgs – sont activement recherchés. Des objets composites – noyaux ou atomes – sont également des bosons, comme le souligne le comportement collectif de certains atomes ultra-froids dans un condensat de Bose-Einstein. Enfin, les quasi-particules de type bosonique sont un des concepts essentiels de la compréhension de la physique du solide.

Caractéristiques générales

Par définition, les bosons sont les particules, élémentaires ou composites, de moment angulaire intrinsèque (ou spin) nul ou multiple de la quantité h/2π, où h est la constante de Planck. Leur nom rappelle Satyendranath Bose (1894-1974), physicien indien qui a élaboré la théorie du comportement collectif de telles particules. Les bosons s'opposent aux fermions, dont le spin est un multiple impair de h/4π. Le spin d'une particule composite est 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 d'hydrogène 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 », qui favorise l'accumulation des particules dans un même état quantique.

— Bernard PIRE

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Écrit par

  • Claude COHEN-TANNOUDJI : professeur honoraire au Collège de France
  • Jacques DUPONT-ROC : directeur de recherche au C.N.R.S., laboratoire de spectroscopie hertzienne, université de Paris-VI-Pierre-et-Marie-Curie
  • Gilbert GRYNBERG : directeur de recherche au C.N.R.S., laboratoire de spectroscopie hertzienne, université de Paris-VI-Pierre-et Marie-Curie, maître de conférences à l'École polytechnique
  • Bernard PIRE : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau

Classification

Pour citer cet article

Claude COHEN-TANNOUDJI, Jacques DUPONT-ROC, Gilbert GRYNBERG, Bernard PIRE, « PARTICULES ÉLÉMENTAIRES - Bosons », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le . URL :

Médias

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