Modèle standard des particules
Photons : bosons de jauge de l'interaction électromagnétique

Les bosons, en tant que particules élémentaires, représentent des quanta d'énergie-impulsion qui constituent des interactions élémentaires ou fondamentales.

• Les bosons de jauge (en anglais " gauge boson ") de spin $1$ agissent comme porteurs ou vecteurs d'une interaction élémentaire. Ce sont :

  • 

    les gluons, boson de jauge de l'interaction forte,
  • les photons, bosons de jauge de l'interaction électromagnétique,
  • les bosons W^± et Z⁰, bosons de jauge de l'interaction faible.
• Le boson de Higgs - boson scalaire de spin $0$ - donne une masse aux particules (le graviton est encore hypothétique).

Photons

Les photons (\gamma$) sont les bosons de jauge de l'interaction électromagnétique.

• C'est en 1923 que Louis de Broglie (1892-1987) montre que tous les objets ont une double nature d'onde et de corpuscule.
• Or, le photon provient d'un champ électromagnétique et il représente une quantification de ce champ.

Comme la plupart des avancées en mécanique quantique ont été réalisées grâce à la découverte du photon, la plupart de ses propriétés sont décrites dans l'article sur la dualité onde-corpuscule.

Nom	Longueur d'onde (m)	Énergie
Basses fréquences	108 à 103	-
Moyennes fréquences	103 à 102	-
Hautes fréquences	102 à 10-1	-
Micro-ondes	10-1 à 10-3	12,4 Mev à 1,24 μeV
Infrarouge	10-3 à 0,750 x 10-6	12,4 MeV à 1,65 eV
Visible	0,750 à 0,390 x 10-6	1,65 eV à 3,2 eV
Ultraviolet	0,390 x 10-6 à 10-8	3,2 eV à 124 eV
Rayon X	10-8 à 10-12	124 eV à 124 keV
Rayon gamma	< 10-12	> 124 kev

C'est le cas de l'explication du rayonnement du corps noir par Max Planck (1858-1947) qui présupposa les quanta, et de l'effet photo-électrique par Albert Einstein (1879-1955) avec ses quatre articles de 1905 qui révolutionnèrent la physique.

Propriétés des photons

1. Sa masse et sa charge électrique est nulle : c'est sa propre antiparticule.

• Sa masse a été calculée comme vraiment nulle (cf. démonstration de la masse des bosons de jauge par le boson de Higgs)
• Les dernières recherches estiment que sa masse est inférieure à 10^-19 eV/c².

2. Son spin est égal à $1$.

Il existe uniquement deux projections, car la valeur $0$ est interdite par le fait que le photon est de masse nulle : il a donc une hélicité de $\pm1$.

3. Sa parité $\mathcal P$ est égale à $-1$.

4. Sa conjugaison de charge $\mathcal C=\eta_C^{\gamma}$ est égale à $-1$, ce qu'on peut déduire de la désintégration du pion neutre $\pi^0$ :

$\pi^0\rightarrow\gamma+\gamma$, et donc, $\eta_C^{\pi^0}=(\eta_C^{\gamma})^2=1$.

5. Sa durée de vie est de 10¹⁸ ans : ce sont des particules stables.

6. Leur énergie dépend de leur fréquence $\nu$ (nu en grec).

• $E=h\nu=\dfrac{hc}{\lambda}$, où $\lambda$ est la longueur d'onde.
• Cette longueur d'onde peut être visible (cf. la lumière et ses propriétés).

Les photons peuvent être très énergétiques (rayons X ou gamma).

7. Les photons d'une onde monochromatique possède (cf. notion d'onde) :

• une vitesse $c$ (" c " comme célérité) qui est la vitesse de la lumière dans le vide est de 299 792 458 ms^-1.
• une énergie $E=h\nu=\dfrac{hc}{\lambda}$, où $\nu$ est la fréquence de l'onde,
• une énergie en relativité restreinte, $E^2=c^2p^2+m^2c^4$, et comme la masse du photon est nulle, l'énergie est donc de $e=c\cdot p$ ;

• 

  une quantité de mouvement $p=\hbar k$, ou $k=2\pi/\lambda$ est appelé vecteur d'onde.

Émission ou absorption
des photons

Émission de photon

Les photons sont émis de plusieurs manières :

• lorsqu'un électron passe d'un niveau d'énergie à un niveau d'énergie inférieur (cf. couches électroniques).
• lorsque une particule et son antiparticule s'annihilent (cf. annihilation).
• lors de l'accélération d'une particule chargée.

Le soleil émet des photons de toutes les fréquences depuis l'infrarouge jusqu'à l'ultraviolet.

Absorption de photon

Les photons ne sont détectés que grâce à leurs interactions avec la matière.

• Ils cèdent leur énergie en totalité ou en partie au milieu qu’ils traversent.
• La matière traversée subit des modifications dues au passage des radiations.

1. Lorsque un photon de basse énergie est absorbé (E < 10 eV), il excite un électron qui passe à un niveau énergétique supérieur (cf. couches électroniques).

2. Lorsque un photon de haute énergie est absorbé (E > 10 eV), il est capable d'arracher cet électron à l'atome pour le ioniser : on parle alors de rayonnement ionisant (cf. chapitre spécial).

Les rayons X et les rayons gamma interagissent avec la matière par plusieurs processus (cf. chapitre spécial) :

• l’effet Compton,
• l’effet photoélectrique,
• la création de paires.

Les rayonnements ionisants sont provoqués par d'autres particules que des photons hautement énergétiques comme les rayons X ou gamma. On trouve aussi :

• Les particules alpha ($^4_2He$),
• les particules bêta (β^- pour les électrons et β⁺ pour les positrons),
• les neutrons.

Particules et vitesse de la lumière

Depuis 1905 et la théorie de la relativité restreinte d'Albert Einstein (1879-1955) on sait que la vitesse de la lumière est constante et infranchissable dans le modèle standard.

On peut définir trois groupes de particules selon leur vitesse par rapport à $c$, la vitesse de la lumière dans le vide (299 792 458 ms^-1).

1. Un bradyon (brady, " lent " en grec) de masse non nulle, se déplace moins vite que $c$, la vitesse de la lumière dans le vide est de 299 792 458 ms^-1,

2. Un luxon, de masse nulle, comme le photon, les gluons et l'hypothétique graviton, se déplacent à la vitesse de la lumière,

3. Un tachyon, particule hypothétique, plus vite que $c$, de masse d'un nombre imaginaire pur ($ia$, i étant l'unité imaginaire et $a$, un nombre réel).

• On pourrait ainsi communiquer avec le passé (antitéléphone tachyonique).
• On peut le montrer sur un diagramme de Minkowski.

W^± et Z⁰ : bosons de jauge de l'interaction faible