Les festivités ont commencé aujourd’hui pour commémorer le 125e anniversaire du célèbre physicien Satyendra Nath Bose, né ce jour-là en 1894. Le nom de Bose était très présent dans l’actualité lorsque le CERN a découvert le boson de Higgs il y a quelques années. De nombreux rapports ont souligné et célébré le fait que le mot « boson » dans « boson de Higgs » avait été inventé à partir du nom de famille de Bose. Le boson de Higgs n’est cependant pas la seule particule à bénéficier de cet honneur, et il existe en fait toute une classe de particules élémentaires qui partagent un nom de groupe : le boson.
Pensez aux nombreuses particules dont vous avez entendu parler, telles que l’électron, le proton, le neutron, le neutrino et le photon. Toutes les particules de cette liste, à l’exception du photon, sont des particules dites de matière. Le photon, d’autre part, est un quantum, ou un faisceau minuscule, du champ électromagnétique.
La relation entre les particules de matière et les quanta de champ est simple : les particules de matière interagissent les unes avec les autres en échangeant les quanta de champ appropriés.
Une différence fondamentale entre les particules de matière et les quanta de champ est que même si vous pouvez presser autant de quanta de champ dans un petit volume, vous ne pouvez pas le faire avec de la matière. Pour voir cela, essayez simplement de vous asseoir près d’une autre personne – il y a une limite à la distance que vous pouvez atteindre. C’est parce que les électrons, les protons, etc. dans notre corps résistent à être empilés les uns sur les autres. Il n’en va pas de même pour les quanta de champ, qui peuvent être emballés aussi étroitement que nécessaire.
Cette différence essentielle doit être abordée lorsque nous examinons des systèmes de particules identiques, par exemple des collections d’électrons ou de photons. La différence se manifeste dans les propriétés statistiques du système de nombreuses particules. Les particules de matière telles que les électrons, les protons, etc. obéissent à ce que l’on appelle les statistiques de Fermi-Dirac et sont donc appelées « Fermions ». Les quanta de champ, par exemple, obéissent à ce qu’on appelle les statistiques de Bose-Einstein et sont collectivement appelés « Bosons ».
En général, on entend moins parler des bosons. Il y a le boson de Higgs qui donne de la masse aux particules comme les protons et les neutrons. Il y a les bosons W et Z associés à la force faible et les nutrinos.
Pourquoi les appeler bosons ?
Maintenant, pourquoi ces particules sont-elles appelées bosons? C’est Bose qui a réellement compris (dans le cas spécifique des photons) comment se comporterait un groupe de photons identiques. Il s’intéressait à reproduire, mathématiquement, la loi de Planck sur le rayonnement en utilisant uniquement des idées de mécanique quantique. Il a utilisé une technique dans ce calcul qui a jeté les bases de la statistique quantique. Il a ensuite envoyé son article à Albert Einstein qui a reconnu la valeur de son calcul et l’a fait traduire en allemand et publié dans la revue Zeitschrift fur Physik. Cet article s’est avéré fondamental et la technique utilisée par Bose porte le nom de Statistiques de Bose-Einstein et les particules telles que les photons qui obéissent à ces statistiques sont appelées bosons.
Alors que Bose lui-même ne réalisait pas l’énorme percée qu’il avait faite, Einstein l’a fait et il a poussé le travail de Bose beaucoup plus loin. Le physicien Paul Dirac a été le premier à utiliser le terme « boson » pour décrire les particules qui obéissaient aux statistiques de Bose-Einstein, afin de célébrer la contribution de Bose au développement de cette théorie.