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206 – FERMIONS, BOSONS ET Cie

Publié le 03 novembre 2014 par Jeanjacques

La physique est principalement sinon exclusivement la science des corps – et substances- en mouvement, celle de leurs rapports, interactions, actions et réactions complexes et multiples.

Assuré de cette définition incontournable, nous allons essayer de comprendre sa mise en œuvre dans la distinction entre les particules. Ainsi nous apprenons grâce à Wikipédia que :

1) Les particules élémentaires peuvent être classées selon leur spin :

  • les fermions possédant un spin demi-entier qui constituent la matière de l'univers,
  • les bosons ayant un spin entier et qui donnent naissance aux forces agissant entre les particules de matière. Ils sont aussi appelés "particules support de force" ou "particules virtuelles"

2) Il nous faut donc rechercher une définition du spin :

Le spin est, en physique quantique, une des propriétés des particules, au même titre que la masse ou la charge électrique. Comme d'autres observables quantiques, sa mesure donne des valeurs discrètes et est soumise au principe d'incertitude. C'est la seule observable quantique qui ne présente pas d'équivalent classique, contrairement, par exemple, à la position, l'impulsion ou l'énergie d'une particule.

Nous n’obtenons ici aucune précision sur la nature du spin sauf que : «. C'est la seule observable quantique qui ne présente pas d'équivalent classique, »

Que signifie cette dernière assertion ?  C’est que le spin ne peut être représenté dans le réel, il n’a aucune signification « classique » entendons par là qu’il s’agit d’un phénomène d’essence mathématique qu’on ne saurait comprendre selon la définition de la physique « classique »  que nous venons de donner en introduction.

3) Pourtant, le spin est un attribut essentiel puisque :

Le spin a d'importantes implications théoriques et pratiques. Il influence pratiquement tout le monde physique. Il est responsable du moment magnétique de spin et donc de l'effet Zeeman anomal (parfois incorrectement appelé « anormal ») qui en découle.

Fermions et bosons se comportent différemment dans des systèmes comprenant plusieurs particules identiques ; le comportement fermionique de l'électron est ainsi la cause du principe d'exclusion de Pauli et des irrégularités de la table périodique des éléments. L'interaction spin-orbite conduit à la structure fine du spectre atomique. Le spin de l'électron joue un rôle important dans le magnétisme, et la manipulation des courants de spins dans des nano-circuits conduit à un nouveau champ de recherche : la spintronique.

4) Ainsi les particules se définissent par leur spin mais celui-ci est indéfinissable. L’une des propriétés centrale de toute la physique des particules demeure dans le mystère le plus insaisissable, les étudiants devant se contenter de réciter l’histoire du spin +½, -1/2 ou 1 sans en comprendre la signification physique.

Puisque la physique est la science du mouvement, ce spin doit bien avoir affaire avec celui-ci et nous devons l’interpréter en physicien. De fait, le spin indique l’orientation d’un mouvement et celui-ci, conformément à sa sémantique anglo-saxonne, signifie « tourner ». Ainsi, une particule tourne sur elle-même dans un sens ou un autre, ce qui est symbolisé par les notations +1/2, -1/2 qui nous permet de reconnaître les fermions.

Quant est-il des bosons de spin 1 ? Il ne s’agit pas de particules proprement dites mais de corpuscules dont relève le photon possédant la propriété de se déplacer à C rectilignement. On constate immédiatement que la notion de spin (tourner) n’a ici aucun sens. Mais pourquoi tout de même y voir du spin là où il n’y en a pas ? Il faut pour comprendre effectuer une manœuvre de rétropédalage et revenir aux spins +1/2, -1/2. C’est que, dans les difficiles calculs des bilans d’énergie lors des expériences, un boson  peut se muer en deux fermions et ceux-ci inversement en bosons. On prête aux bosons un spin 1 car 1 = +1/2, -1/2, sachant que les signes (+) et (-) ne sont pas des opérateurs mathématiques mais indique, comme en électricité, le sens d’un courant et ici celui d’une rotation.

Nous n’allons pas poursuivre ici notre « déconstruction » du discours ésotérique de la physique standard pour déboucher enfin sur une compréhension plus claire de la distinction fermions/bosons (nous laisserons de côté les notions tout aussi troubles de bosons de jauge et autres corpuscules virtuels). De fait, ce qui distingue photons et particules, c’est le sens de leur mouvement. Le spin 1 indique que le corpuscule n’a pas de spin et qu’il se déplace en ligne droite. Les spins ½ nous signifie que nous avons affaire à des particules de matière caractérisées par leur rotation sur-elles-mêmes, propriété essentielle par laquelle elles conservent l’énergie perpétuelle héritée du mouvement antérieur du photon. (Voir sur ce blog nos développements quant à la nouvelle compréhension de l’équation E=mc²).


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