boson
Les bosons (d'après le physicien indien Satyendranath Bose ) sont toutes des particules qui se comportent selon les statistiques de Bose-Einstein , dans lesquelles a.o. plusieurs particules indiscernables peuvent prendre le même état. Selon le théorème de la statistique du spin , ils ont un moment angulaire intrinsèque ( spin ) intégral en unités du quantum d'action réduit de Planck . C'est ainsi qu'ils peuvent être distingués des fermions à spin demi-entier et des anyons à spin quelconque (également fractionnaire) ; les deux types ont donc des propriétés statistiques différentes.
Dans le modèle standard de la physique des particules , les particules d' échange qui médient les forces entre les fermions sont des bosons élémentaires avec un spin de 1, tels que B. le photon comme transmetteur de force électromagnétique . Le graviton hypothétique en tant que porteur de la gravitation est également un boson, mais avec un spin de 2. De plus, avec le boson de Higgs dans le modèle standard, il existe un boson avec un spin de 0.
D'autres bosons sont composés de plusieurs particules telles que B. les paires d' électrons et de phonons de Cooper comme porteurs de charge dans le supraconducteur , les noyaux atomiques avec un nombre pair de nucléons ou les mésons , c'est -à- dire les paires quark-antiquark subatomiques . De plus, les quasiparticules peuvent également présenter des propriétés bosoniques, telles que les phonons ou spinons déjà mentionnés .
Classement selon le spin
Les bosons élémentaires sont appelés différemment selon le spin . La base de cette désignation est son comportement de transformation sous les "transformations orthochrones réelles de Lorentz" . Les particules élémentaires peuvent, sauf dans une théorie non locale ou une théorie des cordes , avoir un spin maximum de 2, car les particules sans masse sont soumises au théorème de basse énergie , qui exclut le couplage de spins élevés aux courants d'autres spins, ainsi que une interdiction pour les auto-interactions et pour les particules massives l'inexistence générale a été démontrée en 2017. Les bosons à spin plus élevé sont donc physiquement moins pertinents, puisqu'ils n'apparaissent que sous forme de particules composites.
| Tournoyer | Type de boson | représentant | |
|---|---|---|---|
| élémentaire | composé | ||
| 0 | boson scalaire | le boson de Higgs | Pions , noyau 4 He |
| 1 | boson vecteur | Photon , bosons W , Z bosons , gluons | Méson J / , noyau 14 N |
| 2 | Boson tenseur | Graviton (hypothétique) | 36 Cl noyau, 60 Co noyau |
| 3 | - | - | 10 B noyau |
États quantiques macroscopiques
Une propriété particulière des bosons est que la fonction d'onde de la mécanique quantique ne change pas lorsque deux bosons identiques sont échangés ( facteur de phase +1). Contrairement à cela, si deux fermions identiques sont échangés, le signe de la fonction d'onde change. La raison de l' invariance de la fonction d' onde dans le cas de l' échange de bosons est basée sur le théorème relativement compliqué de la statistique de spin . Après deux échanges (c'est-à-dire une mise en miroir ou une application de l' opérateur de parité ), l'état d'origine est clairement à nouveau obtenu ; L'échange unique ne peut générer qu'un facteur du montant 1, qui, une fois mis au carré, donne 1 - c'est-à-dire 1 ou -1 - où 1 correspond aux bosons.
Une conséquence est que des bosons du même type peuvent être au même endroit (dans la relation d'incertitude ) au même moment ; on parle alors d'un condensat de Bose-Einstein . Plusieurs bosons prennent alors le même état quantique , ils forment des états quantiques macroscopiques . Les exemples sont :
- la supraconductivité , qui est décrite par les paires Bosonic Cooper ,
- le laser , dans lequel les photons prennent le même état,
- la superfluidité , dans laquelle se condensent des bosoniques 4 He ou 6 Li , ou des couples bosoniques du fermionique 3 He.
Particules composées
Le comportement fermionique ou bosonique des particules composites ne peut être observé qu'à une plus grande distance (par rapport au système considéré). En y regardant de plus près (sur un ordre de grandeur dans lequel la structure des composants devient pertinente), il devient évident qu'une particule composite se comporte en fonction des propriétés (spins) des composants. Par exemple, deux atomes d'hélium-4 (bosons) ne peuvent occuper le même espace si l'espace considéré est comparable à la structure interne de l'atome d'hélium (≈10 −10 m), puisque les composants de l'atome d'hélium-4 sont eux-mêmes fermions. En conséquence, l'hélium liquide a une densité finie tout comme un liquide ordinaire.
Les bosons supersymétriques
Dans le modèle des particules élémentaires, qui a été étendu pour inclure la supersymétrie , il existe d'autres bosons élémentaires. Pour chaque fermion, il existe mathématiquement un boson en tant que particule partenaire supersymétrique , un soi-disant sfermion , de sorte que le spin diffère de ± 1/2 dans chaque cas. Les superpartenaires des fermions sont généralement nommés avec un préfixe supplémentaire S- . B. le boson correspondant à l' électron puis au sélectron .
Strictement parlant, dans l'image d'interaction, chaque champ fermionique se voit d'abord attribuer un champ bosonique en tant que super partenaire. Dans l'image de masse, les particules observables ou prédites résultent de combinaisons linéaires de ces champs. Le nombre et la proportion relative des composants contribuant aux mélanges du côté des superpartenaires bosoniques ne doivent pas nécessairement correspondre aux proportions du côté fermionique d'origine. Dans le cas le plus simple (avec peu ou pas de mélange), cependant, un boson ou un sfermion particulier (comme le sélectron) peut être attribué à un fermion (comme l'électron).
De plus, le modèle standard supersymétrique minimal (MSSM), contrairement au modèle standard (SM) , nécessite plusieurs champs bosoniques de Higgs, y compris leurs super partenaires.
Jusqu'à présent, aucune des particules partenaires supersymétriques postulées n'a été prouvée expérimentalement. Ils doivent donc avoir une masse si élevée qu'ils ne surviennent pas dans des conditions normales. On espère que la nouvelle génération d' accélérateurs de particules sera capable de détecter au moins certains de ces bosons. Il y a des indications que la masse de la particule supersymétrique (LSP) la plus légère est de l'ordre de quelques centaines de GeV /c².
liens web
- Que sont les bosons ? de la série télévisée alpha-Centauri (environ 15 minutes). Première diffusion le 1er octobre 2003.
- Que sont les bosons W&Z ? de la série télévisée alpha-Centauri (environ 15 minutes). Première diffusion le 2 août 2006.
Preuve individuelle
- ↑ Steven Weinberg : Photons et gravitons dans la théorie de la matrice S : Dérivation de la conservation de la charge et égalité de la masse gravitationnelle et inertielle . Dans : Phys. Bande Rev. 135 , 4B, p. B1049 – B1056 , doi : 10.1103 / PhysRev.135.B1049 (Anglais).
- ^ Paolo Benincasa et Eduardo Conde : Exploration de la matrice S des particules sans masse . Dans : Phys. Rév . D . ruban 86 , non. 2 , 2012, doi : 10.1103 / PhysRevD.86.025007 (anglais).
- ↑ Nima Arkani-Hamed et al. : Amplitudes de diffusion pour toutes les masses et spins . 2017, arxiv : 1709.04891 (anglais).