Nature des bosons dans les intéractions

[Seirios]

Bonjours à tous,

J'ai cru comprendre que les particules véhiculants les différentes forces de l'univers (gravitation, électromagnétisme, force nucléaire forte et faible), jouaient un rôle dans les intéractions entre particules sous forme de particules virtuelles.

Que sont ces particules virtuelles ?

Une particule virtuelle était à mon sens une paire de particule-antiparticule, mais je me demande si cela est semblable pour les bosons ? Deux électrons intéragiraient par l'intermédiaire de paires de photons ?

Alors les bosons n'existent que sous forme de particules virtuelles ? Car ils ne jouent un rôle que durant les intéractions...
Ou alors le fait de parler de bosons implicite-t-il que l'on parle de particules virtuelles ? Est-ce simplement la nature des bosons ?


Quelqu'un pourrait-il me renseigner ?

Merci d'avance
Phys2
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[gatsu]

Bonjours à tous,

J'ai cru comprendre que les particules véhiculants les différentes forces de l'univers (gravitation, électromagnétisme, force nucléaire forte et faible), jouaient un rôle dans les intéractions entre particules sous forme de particules virtuelles.

Que sont ces particules virtuelles ?

Une particule virtuelle était à mon sens une paire de particule-antiparticule, mais je me demande si cela est semblable pour les bosons ? Deux électrons intéragiraient par l'intermédiaire de paires de photons ?

Alors les bosons n'existent que sous forme de particules virtuelles ? Car ils ne jouent un rôle que durant les intéractions...
Ou alors le fait de parler de bosons implicite-t-il que l'on parle de particules virtuelles ? Est-ce simplement la nature des bosons ?


Quelqu'un pourrait-il me renseigner ?

Merci d'avance
Phys2

Les bosons participant aux interactions sont appelés les bosons de jauge. Ils peuvent etre observés expérimentalement puisque par exemple le photon est le boson qui vehicule l'interaction electromagnetique et il peut bien sur etre observés, en ce qui concerne les bosons Zo et W+- vehiculant l'interaction faible je ne sais pas si ils ont ete observé directement et idem pour les gluons
Les particules virtuelles sont des particules dont l'existence est nécéssaire pour décrire des processus d'interaction mais qui par définition ne sont JAMAIS observées.

[Seirios]

Les particules virtuelles sont des particules dont l'existence est nécéssaire pour décrire des processus d'interaction mais qui par définition ne sont JAMAIS observées.

Mais il n'y a pas un petit hic ? Les bosons participent obligatoirement aux intéractions, c'est leur rôle, et donc ils sont sous forme de particules virtuelles qui sont, comme tu l'as dit, indétectables. Il y a donc un problème, ça voudrais dire qu'aucun bosons ne pourrais être détectés, ce qui n'est bien sûr pas le cas.
Il faut donc différencier bosons et bosons de jauge, les bosons de jauge étant les bosons que l'on retrouve lors des intéractions et étant sous forme de particules virtuelles.
Mais comment les différencier ? Les bosons ne devraient donc pas se trouver lors des intéractions, mais quelle serait leur rôle ?

[gatsu]

Mais il n'y a pas un petit hic ? Les bosons participent obligatoirement aux intéractions, c'est leur rôle, et donc ils sont sous forme de particules virtuelles qui sont, comme tu l'as dit, indétectables. Il y a donc un problème, ça voudrais dire qu'aucun bosons ne pourrais être détectés, ce qui n'est bien sûr pas le cas.
Il faut donc différencier bosons et bosons de jauge, les bosons de jauge étant les bosons que l'on retrouve lors des intéractions et étant sous forme de particules virtuelles.
Mais comment les différencier ? Les bosons ne devraient donc pas se trouver lors des intéractions, mais quelle serait leur rôle ?

Les bosons par définition sont "juste" des particules de spin entier. Il se trouve que les bosons dit "de jauge" véhiculent les interactions. Ces bosons médiateurs d'interaction restent cependant des particules et certains processus peuvent alors peut etre faire apparaitre ces bosons de jauge de façon explicite. Par exemple, une collision électron-positron peut faire apparaitre 2 photons etc...

[A voir en vidéo sur Futura]

[invité576543]

Bonjour,

Je ne suis pas spécialiste, loin de là, mais la compréhension que j'ai atteinte est telle qu'il me semble que la distinction est toute autre.

Proposé pour ce que ça vaut...

Ce qu'on appelle particule est un quantum de perturbation pour un champ. Quand on parle de photon "réel", c'est un quantum émis puis propagé puis absorbé, avec la condition que le temps de propagation t est très supérieur à h/E. Ou, mieux dit, que l'action durant le temps de vie, E.t, est très grande devant h (ce qui permet de définir un temps t et une énergie E).

Sous la condition que l'action est grande, on peut distinguer émission, propagation et absorption et parler de mesures, de E, de t, de la quantité de mouvement etc.

Maintenant, si l'action est faible, 1 h par exemple, les notions d'énergie, de temps de vie, etc. n'ont plus de sens, cause "incertitude" (mieux indéterminisme) de Heisenberg. La particule devient "virtuelle", elle n'est plus identifiée que par ses effets indirects, effets sur des "vraies" particules (vraie au simple sens que leurs propriétés sont mieux définies!)

Vu comme ça, il n'y a qu'un seul objet, le champ bosonique, seulement trois phénomènes fondamentaux, émission, propagation, absorption de particules, quanta de perturbation. De là dérivent différents phénomènes observés, avec une classification floue selon la valeur de l'action au cours de la perturbation décrite, de la "vie de la particule".

Cordialement,

[Seirios]

Ton explication me parait coller avec la définition de particules virtuelles que j'avais lu, et qui ne me satisfaisait pas vraiment :

"Une particule virtuelle est une particule à très courte durée de vie"

Mais je m'intéroge sur ce passage :

c'est un quantum émis puis propagé puis absorbé, avec la condition que le temps de propagation t est très supérieur à h/E.

Arrête moi si je me trompe, mais l'équation du principe d'incertitude est :

Le temps nécessaire pour que le boson en question soit réel, doit être :

J'ai bon ?

[gatsu]

Bonjour,

Je ne suis pas spécialiste, loin de là, mais la compréhension que j'ai atteinte est telle qu'il me semble que la distinction est toute autre.

Proposé pour ce que ça vaut...

Ce qu'on appelle particule est un quantum de perturbation pour un champ. Quand on parle de photon "réel", c'est un quantum émis puis propagé puis absorbé, avec la condition que le temps de propagation t est très supérieur à h/E. Ou, mieux dit, que l'action durant le temps de vie, E.t, est très grande devant h (ce qui permet de définir un temps t et une énergie E).

Sous la condition que l'action est grande, on peut distinguer émission, propagation et absorption et parler de mesures, de E, de t, de la quantité de mouvement etc.

Maintenant, si l'action est faible, 1 h par exemple, les notions d'énergie, de temps de vie, etc. n'ont plus de sens, cause "incertitude" (mieux indéterminisme) de Heisenberg. La particule devient "virtuelle", elle n'est plus identifiée que par ses effets indirects, effets sur des "vraies" particules (vraie au simple sens que leurs propriétés sont mieux définies!)

Vu comme ça, il n'y a qu'un seul objet, le champ bosonique, seulement trois phénomènes fondamentaux, émission, propagation, absorption de particules, quanta de perturbation. De là dérivent différents phénomènes observés, avec une classification floue selon la valeur de l'action au cours de la perturbation décrite, de la "vie de la particule".

Cordialement,

Contrairement à ce que tu dis au début je ne trouve ce texte particulierement en contradiction avec ce que je dis...il est c'est vrai un peu plus technique .
En revanche je souhaite souligner encore un point pour qu'il n'y ai pas de méprise de la part Phys2.
Les bosons ne servent pas qu'à véhiculer des interactions, ce sont des particules qui par définition peuvent se trouver à plusieurs dans le même état quantique et il se trouve (je ne sais pas si c'est lié) que ces particules ont un spin entier.
En ce qui concerne mes message précédents, je continue à dire qu'une particule virtuelle est juste une particule qui experimentalement ne sera jamais observée puisqu'elle sert directement à une interaction (cf. yukawa pour l'interaction nucléon-nucleon).
En ce qui concerne la durée de vie du photon par exemple, je ne sais pas trop quoi dire....j'ai déjà effectivement entendu dire que dans la zone d'interaction il n'y avait pas forcément conservation de l'energie et que cela ne violait pas les relations d'incertitudes d'heisenberg mais je ne suis pas sûr que ce soit systématique.
Pour répondre à la derniere question de Phys2, je ne crois pas qu'un boson virtuel devienne réel au bout d'un certain temps , selon moi ça n'a pas de sens mais il faudrait demander à des spécialistes de la question pour être sûr (Mtheory, deep, humanino, coincoin...)

[invité576543]

Arrête moi si je me trompe, mais l'équation du principe d'incertitude est :

Le temps nécessaire pour que le boson en question soit réel, doit être :

J'ai bon ?

Oui et non. La formule donne en fait un produit d'écart-type, avec un choix particulier de seuil d'écart-type. Il y a un aspect arbitraire au coefficient multiplicateur.

Mais la valeur précise n'est pas très significative en fait. Ce qui est important c'est, l'ordre de grandeur (celui de la constante h), et les situations quand , >> voulant dire "très supérieur", plusieurs ordres de grandeur, et le facteur constant n'a plus beaucoup d'importance!

Pour donner un exemple, pour un photon de lumière visible, 1 h correspond à une longueur d'onde, 500 nm. Un trajet de 1 mm correspond à 2000 h. A l'opposé, la taille d'un atome est de l'ordre de 0.1 nm, soit 1/5000 h pour un tel photon! Le facteur 10 ne va pas changer grand chose pour savoir dans quel cas on peut réellement parler d'un photon de longueur d'onde 500 nm, et dans quel cas parler d'une telle longueur d'onde n'a même pas de sens.

qui ne me satisfaisait pas vraiment : "Une particule virtuelle est une particule à très courte durée de vie"

Je ne la trouve pas très satisfaisante non plus, mais peut-être pour une raison différente. C'est que "courte durée de vie" ne veut rien dire, il faut ramener ce temps de vie à quelque chose, et c'est h/E. Ce que j'ai exprimé est donc différent, ce n'est "courte vie", mais "faible action".

Cordialement,

[Seirios]

Les bosons ne servent pas qu'à véhiculer des interactions,

Mais alors à quoi servent-ils d'autres ?
Peut-être que lors des collisions à hautes énergies, les bosons réels peuvent se retrouver dans les particules résultantes. Qu'est-ce que vous en pensez ?

ce sont des particules qui par définition peuvent se trouver à plusieurs dans le même état quantique et il se trouve (je ne sais pas si c'est lié) que ces particules ont un spin entier.

Le fait que les bosons aient un spin entier et qu'ils peuvent se trouver dans le même état quantique au même endroit est directement lié, car s'ils avaient un spin demi-entier ils seraient soumis au principe d'exclusion de Pauli à l'instar des fermions.

En ce qui concerne mes message précédents, je continue à dire qu'une particule virtuelle est juste une particule qui experimentalement ne sera jamais observée puisqu'elle sert directement à une interaction

Mais trouves-tu que c'est une définition satisfaisante ? Dire qu'une particule virtuelle est simplement une particule qui ne peut être expérimentalement observée ne nous renseigne pas sur sa véritable nature, et peut être confondu avec n'importe quelle particule considérée comme indétectable...

En ce qui concerne la durée de vie du photon par exemple, je ne sais pas trop quoi dire....j'ai déjà effectivement entendu dire que dans la zone d'interaction il n'y avait pas forcément conservation de l'energie et que cela ne violait pas les relations d'incertitudes d'heisenberg mais je ne suis pas sûr que ce soit systématique.

Je me rappelle avoir vu un diagramme de Feynman exprimant cette possibilité. Deux électrons se rapprochant échange un photon virtuelle, qui peut se matérialiser sous la forme d'une paire de particule-antiparticule (dans le diagramme précis, il était question d'une paire d'électron-positron).

Pour répondre à la derniere question de Phys2, je ne crois pas qu'un boson virtuel devienne réel au bout d'un certain temps , selon moi ça n'a pas de sens mais il faudrait demander à des spécialistes de la question pour être sûr (Mtheory, deep, humanino, coincoin...)

Y a-t-il un spécialiste dans la salle ? On aurait besoin d'un petit éclaircissement...

Pour donner un exemple, pour un photon de lumière visible, 1 h correspond à une longueur d'onde, 500 nm. Un trajet de 1 mm correspond à 2000 h. A l'opposé, la taille d'un atome est de l'ordre de 0.1 nm, soit 1/5000 h pour un tel photon! Le facteur 10 ne va pas changer grand chose pour savoir dans quel cas on peut réellement parler d'un photon de longueur d'onde 500 nm, et dans quel cas parler d'une telle longueur d'onde n'a même pas de sens.

Je n'ai pas vraiment compris ton exemple...Je pense que c'est surtout la relation entre la constante de Planck et d'autres mesures (longueur d'onde, diamètre de l'atome...). Est-ce que tu pourrais m'expliquer ?

[invité576543]

Je n'ai pas vraiment compris ton exemple...Je pense que c'est surtout la relation entre la constante de Planck et d'autres mesures (longueur d'onde, diamètre de l'atome...). Est-ce que tu pourrais m'expliquer ?

Bonjour,

Je vais prendre cela par un autre bout. Tu dessines une fonction périodique sur un bout de papier. Si tu en dessines 100 périodes et que tu montres cela à quelqu'un il arrivera à en mesurer la période.

Maintenant, dessines 1/100ème de la période de la fonction périodique. Quand on a que cela sous la main, la notion même de période n'a pas de sens, encore moins de la mesurer.

Si ton photon (ou une particule quelconque) existe pendant 100 ou 1000 périodes, parler de la valeur de cette période (sa durée, c'est à dire l'inverse de son énergie) a un sens, et est mesurable, on parlera de particule réelle. Si son existence est 1/100ème de sa période théorique, la notion même de période n'a pas de sens, et il faut parler du "photon" autrement que comme quelque chose (une particule) bien définie par une période en particulier.

Or les interactions électro-magnétique au sein d'un atome ne peuvent pas excéder des temps de parcours supérieurs à d/c, d étant la taille de l'atome. Quand on parle d'échange de photons dans un tel cadre, on parle en général de portions très faibles de période, donc de particules non pas "virtuelles", mais certainement pas de particules au même sens qu'un photon qui se propage entre l'écran et mon oeil, ce qui correspond à de l'ordre de 10000 périodes.

La constante de Planck est liée à la notion de période. On peut même dire que pour un photon, h est l'unité de période, ce qui mesure un aller-retour du champ. L'énergie peut être vue comme un nombre de h par unité de temps, comme un nombre de périodes par seconde multiplié par un facteur de normalisation qui est exactement h. C'est ce que veut dire E = h nu.

Cordialement,

[gatsu]

Mais alors à quoi servent-ils d'autres ?

Une particule n'a pas à servir à quelque chose en particulier. Par exemple un des isotopes de l'helium (le IV ?) est un boson et cela lui confère des propriétés physiques très particulières .

Peut-être que lors des collisions à hautes énergies, les bosons réels peuvent se retrouver dans les particules résultantes. Qu'est-ce que vous en pensez ?

Désolé je pense que c'est faux mais c'est juste parce que tu te fais une fausse idée sur ce qu'est un boson.

Le fait que les bosons aient un spin entier et qu'ils peuvent se trouver dans le même état quantique au même endroit est directement lié, car s'ils avaient un spin demi-entier ils seraient soumis au principe d'exclusion de Pauli à l'instar des fermions.

Malheureusement ça ne marche pas comme ça d'un point de vue logique.
Il existe un principe (principe d'antisymmetrisation) qui est une mise en forme mathématique du principe d'exclusion de Pauli qui dit qu'il y a 2 types de particules :
les bosons qui peuvent etre dans le même état quantique et les fermions qui ne peuvent pas être dans le même état quantique...mais ce principe ne présuppose rien sur la valeur des spins de ces particules. Il se trouve que les bosons sont de spin entier (jusqu'à preuve du contraire) et que les fermions sont de spin demi-entier mais je ne trouve de façon logique que le lien entre ces caractéristiques soit évident .

Mais trouves-tu que c'est une définition satisfaisante ? Dire qu'une particule virtuelle est simplement une particule qui ne peut être expérimentalement observée ne nous renseigne pas sur sa véritable nature, et peut être confondu avec n'importe quelle particule considérée comme indétectable...

Mais justement, on peut tres bien se tromper sur la nature d'une particule virtuelle. Par exemple l'un des premier modèle d'interaction nucléon-nucléon est le modèle de yukawa. Et ce modèle consistait à dire que le boson médiateur de l'interaction forte (à l'époque c'etait juste nucleon-nucleon) etait le méson (je ne sais plus si c'etait tous les mésons ou autre chose... ). Comme tu dois le savoir les modéles actuels ne disent plus cela mais je ne m'avancerait pas plus sur le terrain, je n'en conais pas beaucoup plus là dessus.

Je me rappelle avoir vu un diagramme de Feynman exprimant cette possibilité. Deux électrons se rapprochant échange un photon virtuelle, qui peut se matérialiser sous la forme d'une paire de particule-antiparticule (dans le diagramme précis, il était question d'une paire d'électron-positron).

Il y a une infinité de diagrammes de feynman qui existe pour modéliser une interaction et ,en gros, plus le diagramme est compliqué et plusla précision du modèle est grande. Dans un tel diagramme, il y a des lignes externes et des lignes internes. les lignes externes correspondent aux particules "réelles" en branche d'entrée ou de sortie qui peuvent etre détectée par un capteur et les lignes internes correspondent aux particules virtuelles.

Y a-t-il un spécialiste dans la salle ? On aurait besoin d'un petit éclaircissement...

En effet

[invité576543]

Malheureusement ça ne marche pas comme ça d'un point de vue logique.
Il existe un principe (principe d'antisymmetrisation) qui est une mise en forme mathématique du principe d'exclusion de Pauli qui dit qu'il y a 2 types de particules :
les bosons qui peuvent etre dans le même état quantique et les fermions qui ne peuvent pas être dans le même état quantique...mais ce principe ne présuppose rien sur la valeur des spins de ces particules. Il se trouve que les bosons sont de spin entier (jusqu'à preuve du contraire) et que les fermions sont de spin demi-entier mais je ne trouve de façon logique que le lien entre ces caractéristiques soit évident .

C'est le théorème "spin-statistique". http://www.math.ucr.edu/home/baez/spin_stat.html donne des indications sur les "démonstrations" du théorème.

Cordialement,

[gatsu]

C'est le théorème "spin-statistique". http://www.math.ucr.edu/home/baez/spin_stat.html donne des indications sur les "démonstrations" du théorème.

Cordialement,

Ok merci beaucoup pour le lien

[Seirios]

Une particule n'a pas à servir à quelque chose en particulier. Par exemple un des isotopes de l'helium (le IV ?) est un boson et cela lui confère des propriétés physiques très particulières .

Je ne savais pas que l'hélium 4 était un boson...Il est vrai qui se l'on fait la somme des spins de ses constituants, l'hélium 4 aurait un spin entier (égal à 2). Mais quelles propriétés cette configuration lui confère-t-elle ? Tu aurais un site/document sur ce sujet ?

Désolé je pense que c'est faux mais c'est juste parce que tu te fais une fausse idée sur ce qu'est un boson.

Un boson est une particule qui possède un spin entier et qui obéit à la statistique de Bose-Einstein...où est la fausse idée dans tout ça ?

Et ce modèle consistait à dire que le boson médiateur de l'interaction forte (à l'époque c'etait juste nucleon-nucleon) etait le méson (je ne sais plus si c'etait tous les mésons ou autre chose...). Comme tu dois le savoir les modéles actuels ne disent plus cela

Je croyais encore que les pions étaient responsables de la force nucléaire forte entre les nucléons et que pour les intéractions au niveau plus fondamental (entre particules élémentaires), c'étaient les gluons qui en étaient responsable... Apparemment j'ai un peu de retard

Il se trouve que les bosons sont de spin entier (jusqu'à preuve du contraire) et que les fermions sont de spin demi-entier mais je ne trouve de façon logique que le lien entre ces caractéristiques soit évident .

Mais il faut bien qu'il y ait quelque chose pour différencier un fermion et un boson, et à part le spin je ne vois pas ce que ça peut être...

[Coincoin]

Salut,
Le fait que le noyau d'hélium 4 est un boson fait qu'il peut faire de la condensation de Bose-Einstein. Ca donne de l'hélium superfluide.

Alors que pour l'hélium 3, c'est beaucoup plus compliqué : il est obligé de se condenser en paires pour faire du Bose-Einstein. Du coup la température correspondante est plus ordres de grandeur plus basse.

Mais il faut bien qu'il y ait quelque chose pour différencier un fermion et un boson, et à part le spin je ne vois pas ce que ça peut être...

Comme l'a dit Mmy, le théorème spin-statistique permet de démontrer le lien entre spin et statistisque.

[Gwyddon]

Coucou tout le monde

A propos du théorème spin/statistique, le Cohen dit que rien ne nous dit que les hypothèses de bases du théorème soient tout le temps vérifié, et que donc rien n'exclut en théorie et en pratique l'existence d'un boson de spin demi-entier ou d'un fermion de spin entier.

Depuis les années 60, y-a t'il eu des progrès pour montrer que ces hypothèses sont (ou non) tout le temps vérifié ?

[Coincoin]

Il me semble qu'en dimension 2, ça marche pas. Du coup, le spin n'est pas quantifiée. On a ce qu'on appelle des anyons (de "any", "n'importe lequel"). J'y connais rien, mais doit falloir chercher du côté de l'effet Hall fractionnaire.