La mesure de la masse des bosons W a pris 10 ans et le résultat n’a pas été celui auquel les physiciens s’attendaient.

« Vous pouvez le faire rapidement, vous pouvez le faire à moindre coût ou vous pouvez le faire bien. Nous l’avons bien fait ». Ce sont quelques-unes des remarques d’ouverture de David Toback alors que le chef du détecteur de collisionneur du Fermilab a publié les résultats d’une expérience d’une décennie pour mesurer la masse d’une particule appelée boson W.

Je suis un physicien des particules de haute énergieet je fais partie de l’équipe de centaines de scientifiques qui ont construit et exploité le Collider Detector au Fermilab dans l’Illinois, connu sous le nom de CDF.

Après des milliards de collisions et des années de collecte de données et de calculs, l’équipe CDF a découvert que le boson W a un peu plus de pâte que prévu. Bien que l’écart soit faible, les résultats, décrits dans un article publié dans la revue Science le 7 avril 2022, avoir électrifié le monde de la physique des particules. Si la mesure est effectivement correcte, c’est un autre signe fort qu’il manque des pièces au puzzle physique du fonctionnement de l’univers.

Modèle standard de diagramme de particules élémentaire

Le modèle standard de la physique des particules décrit les particules qui composent la masse et les forces de l’univers. MissMJ/WikimediaCommons Le modèle standard de la physique des particules décrit les particules qui composent la masse et les forces de l’univers. Crédit : MissMJ/WikimediaCommons

Une particule qui porte la force faible.

Le modèle standard de la physique des particules est le meilleur cadre scientifique actuel pour les lois fondamentales de l’univers et décrit trois forces de base: la force électromagnétique, la force faible et la force forte.

Les noyaux atomiques sont maintenus ensemble par la force forte. Cependant, certains noyaux sont instables et se désintègrent de manière radioactive, libérant lentement de l’énergie par l’émission de particules. Ce processus est piloté par la force faible, et les scientifiques tentent de comprendre pourquoi et comment les atomes se séparent depuis le début du XXe siècle.

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Selon le modèle standard, les forces sont transmises par des particules. Dans les années 1960, une série de avancées théoriques et expérimentales il a proposé que la force faible soit portée par des particules appelées bosons W et Z. Il a également postulé qu’une troisième particule, le boson de Higgs, est ce qui donne de la masse à toutes les autres particules, y compris les bosons W et Z.

Depuis l’avènement du modèle standard dans les années 1960, les scientifiques ont travaillé sur la liste des particules prédites encore à découvrir et mesuré leurs propriétés. En 1983, deux expériences de CERN à Genève, en Suisse, capturé la première preuve de l’existence du boson W. Il semblait avoir la masse d’environ une taille moyenne. atome comme le brome.

Dans les années 2000, il ne manquait qu’une seule pièce pour compléter le modèle standard et le lier : le boson de Higgs. J’ai participé à la recherche du boson de Higgs dans trois expériences successives et enfin je l’ai découvert en 2012 au grand collisionneur de hadrons du CERN.

Le modèle standard était complet et toutes les mesures que nous avons faites correspondaient parfaitement aux prédictions.

Détecteur de collisionneur au Fermilab

Le détecteur de collisionneur du Fermilab a recueilli des données sur des billions de collisions qui ont produit des millions de bosons W. Crédit : Bodhita/WikimediaCommons, CC BY-SA

Mesurer les bosons W

C’est très amusant de briser des particules à très haute énergie pour tester le modèle standard. Ces collisions produisent des particules plus lourdes pendant une courte période avant de se décomposer en particules plus légères. Pour analyser les propriétés et les interactions des particules créées lors de ces collisions, les physiciens utilisent des détecteurs massifs et extrêmement sensibles dans des installations telles que Fermilab et le CERN.

Dans CDF, les bosons W sont produits autour de une fois sur 10 millions lorsqu’un proton et un antiproton entrent en collision. Les antiprotons sont la version antimatière des protons, avec exactement la même masse mais une charge opposée. Les protons sont constitués de particules fondamentales plus petites appelées quarks, et les antiprotons sont constitués d’antiquarks. C’est la collision entre quarks et antiquarks qui créer des bosons W. Les bosons W se désintègrent si rapidement qu’il est impossible de les mesurer directement. Les physiciens suivent donc l’énergie produite par leur désintégration pour mesurer la masse des bosons W.

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Au cours des 40 années écoulées depuis que les scientifiques ont détecté pour la première fois la présence du boson W, des expériences successives ont effectué des mesures de plus en plus précises de sa masse. Mais ce n’est qu’à partir de la mesure du boson de Higgs, puisqu’il donne de la masse à toutes les autres particules, que les chercheurs ont pu comparer la masse mesurée des bosons W avec la masse prédite par le modèle standard. La prédiction et les expériences ont toujours coïncidé, jusqu’à maintenant.

Nouvelle mesure du boson W

La nouvelle mesure du boson W (cercle rouge) est beaucoup plus éloignée de la masse prédite par le modèle standard (ligne violette) et également plus grande que la mesure préliminaire de l’expérience. Crédit : collaboration CDF via le magazine Science, CC PAR

étonnamment lourd

Le détecteur CDF du Laboratoire Fermi est excellent pour mesurer avec précision les bosons W. Entre 2001 et 2011, l’accélérateur est entré en collision avec des protons et des antiprotons des trillions de fois, créant des millions de bosons W et collectant autant de données que possible à chaque collision.

En 2012, l’équipe du Fermilab a rapporté résultats préliminaires sur la base d’un sous-ensemble de données. Nous avons constaté que la masse était quelque peu décalée, mais proche de la prédiction. Les chercheurs ont ensuite minutieusement analysé l’ensemble des données pendant une décennie. De nombreuses vérifications croisées internes ont été effectuées, ainsi que des années de simulations informatiques. Personne n’a pu voir les résultats jusqu’à ce que l’ensemble du calcul soit terminé pour éviter que des biais ne s’infiltrent dans l’analyse.

Lorsque le monde de la physique a finalement vu le résultat le 7 avril 2022, nous avons tous été choqués. Les physiciens mesurent les masses des particules élémentaires en unités de millions d’électrons-volts, abrégés en MeV. La masse du boson W s’est avéré être 80,433 MeV – 70 MeV au-dessus de ce que prédit le modèle standard. Cela peut sembler un petit excès, mais la mesure est précise à 9 MeV près. Il s’agit d’un écart de près de huit fois la marge d’erreur. Quand mes collègues et moi avons vu le résultat, notre réaction a été un « wow !

Concept de comparaison d'équilibre

Le fait que la masse mesurée du boson W diffère de la masse anticipée dans le modèle standard pourrait indiquer l’une des trois choses suivantes. Soit les calculs sont erronés, soit la mesure est erronée, soit il manque quelque chose dans le modèle standard.

Ce que cela signifie pour le modèle standard

Le fait que la masse mesurée du boson W ne corresponde pas à la masse prédite dans le modèle standard pourrait signifier trois choses. Soit les calculs sont erronés, soit la mesure est erronée, soit il manque quelque chose dans le modèle standard.

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Tout d’abord, les mathématiques. Pour calculer la masse du boson W, les physiciens utilisent la masse du boson de Higgs. Les expériences du CERN ont permis aux physiciens mesurer la masse du boson de Higgs dans un quart de pour cent. De plus, les physiciens théoriciens ont été travaillant sur les calculs de masse du boson W pendant des décennies. Bien que les calculs soient sophistiqués, la prédiction est solide et peu susceptible de changer.

La possibilité suivante est un échec de l’expérience ou de l’analyse. Les physiciens du monde entier examinent déjà le résultat pour tenter de le percer. De plus, de futures expériences au CERN pourraient éventuellement aboutir à un résultat plus précis confirmant ou infirmant la masse du Laboratoire Fermi. Mais à mon avis, l’expérience est la meilleure mesure possible actuellement.

Cela laisse la dernière option : il existe des particules ou des forces inexpliquées qui provoquent le déplacement vers le haut de la masse du boson W. Même avant cette mesure, certains théoriciens avaient propositions de nouvelles particules ou forces potentielles ce qui donnerait lieu à l’écart observé. Dans les mois et les années à venir, j’attends avec impatience une série de nouveaux articles cherchant à expliquer la masse déroutante des bosons W.

En tant que physicien des particules, je suis convaincu qu’il doit y avoir plus de physique à découvrir au-delà du modèle standard. Si ce nouveau résultat se maintient, ce sera le dernier d’une série de découvertes montrant que le modèle standard et les mesures du monde réel sont souvent ils ne correspondent pas du tout. Ce sont ces mystères qui donnent aux physiciens de nouveaux indices et de nouvelles raisons de continuer à chercher une compréhension plus complète de la matière, de l’énergie, de l’espace et du temps.

Écrit par John Conway, professeur de physique à l’Université de Californie, Davis.

Cet article a été publié pour la première fois dans La conversation.La conversation