PARTICULES ÉLÉMENTAIRES Bosons
Gluons et bosons faibles
La quantification des champs associe aux interactions fondamentales l'échange de particules élémentaires. L'exemple le plus fameux est le photon, quantum du champ électromagnétique. De même, les interactions nucléaires fortes sont décrites par l'échange de gluons et les interactions faibles par l'échange de W chargés ou de Z neutres. Les gluons, W et Z sont des bosons élémentaires. 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.
Le gluon a une masse et une charge électrique nulles, et un spin égal à h/2π. Sa réponse aux interactions nucléaires fortes est caractérisée par une charge dite « de couleur » qui peut prendre huit valeurs différentes. Présent dans tous les hadrons, le gluon joue un rôle de ciment nucléaire qui explique son nom. Il ne peut se propager de façon isolée sur des distances supérieures au femtomètre (10—15 m) et reste confiné dans des particules composites : les hadrons, comme les protons, les neutrons et les mésons. Son existence a été confirmée en 1979 par l'étude des réactions d'annihilation d'un électron et d'un positron au collisionneur P.E.T.R.A. (Positron-Electron Tandem Ring Accelerator) du centre de recherche Desy (Deutsches Elecktren-Synchrotron), à Hambourg (Allemagne). Dans quelque 10 p. 100 des cas, les particules produites se regroupaient en trois jets, signe de la présence d'un gluon accompagnant la paire quark-antiquark primitivement produite.
Les bosons W et Z sont les particules médiatrices de l'interaction nucléaire faible avec (W) ou sans (Z) transport de charge électrique. La masse du W est environ quatre-vingt-cinq fois supérieure à celle du proton – soit un équivalent en énergie égal à 80,4 GeV. Le Z a une masse un peu supérieure, égale à 91,2 GeV. Leur spin est, comme celui du photon ou des gluons, égal à h/2π. Le W existe sous deux états de charge électrique, égale ou opposée à celle de l'électron. Le Z est neutre électriquement. Le triplet formé des bosons W+ et W— et du boson Z joue un rôle équivalent dans la théorie électrofaible à celui du photon pour l'électromagnétisme. Sa découverte, en 1983, au collisionneur proton-antiproton du Cern confirma la théorie électrofaible de Steven Weinberg et Abdus Salam. Très instables, les bosons W et Z se désintègrent spontanément soit en un lepton et un antilepton, soit en un quark et un antiquark. Le boson Z a été étudié en détail par le collisionneur L.E.P. du Cern qu'on a parfois appelé « usine à Z ». La détection et la mesure de ses multiples modes de désintégration ont permis de vérifier l'universalité de son couplage aux différents leptons (électron, muon, tauon). Il se désintègre avec une égale probabilité de 3,36 p. 100 en une paire électron – positron, une paire muon – antimuon, ou une paire tauon – antitauon. On a pu déterminer que 20 p. 100 de ses désintégrations le transmutaient en un neutrino et un antineutrino, ce qui implique qu'il existe trois types de neutrinos de masses inférieures à la moitié de celle du Z.
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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 :
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- ONDE ou RAYONNEMENT ÉLECTROMAGNÉTIQUE
- IMPULSION, physique
- ABSORPTION, physique
- IONISATION
- CONSERVATION LOIS DE, physique
- SUPERSYMÉTRIE
- CHAMP ÉLECTROMAGNÉTIQUE
- CHAMPS THÉORIE QUANTIQUE DES
- QUANTIQUE OPTIQUE
- BOSONS
- HADRONS
- QUANTIQUE MÉCANIQUE
- PHOTON
- SOLIDES PHYSIQUE DES
- BOSE-EINSTEIN STATISTIQUE DE
- MAGNON
- NIVEAU, physique atomique
- QUASI-PARTICULES
- INTERACTIONS FONDAMENTALES
- BRISURE DE SYMÉTRIE
- INTERACTION NUCLÉAIRE FAIBLE
- BOSON W
- BOSON Z°
- INTERACTION NUCLÉAIRE FORTE
- MOMENT CINÉTIQUE ou MOMENT ANGULAIRE
- DÉSINTÉGRATION, physique
- PHYSIQUE DES PARTICULES
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- INTERACTION GRAVITATIONNELLE
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- BOSONS DE JAUGE
- HIGGS CHAMP DE
- ÉTAT QUANTIQUE
