Un nouveau résultat expérimental a ébranlé le monde de la physique des particules. Il s’avère que le boson W est beaucoup plus lourd que nous ne le pensions. Cela pose un défi à notre théorie la plus réussie et la plus testée sur le tissu de l’univers jusqu’à présent : le modèle standard. Et bien que ce seul résultat expérimental ne suffise peut-être pas à lui seul à renverser la théorie, il pointe déjà dans la direction d’une théorie qui pourrait le faire, écrit Martin Bauer.
Récemment, la masse du boson W a été mesurée par le Collider Detector du Fermilab avec une précision sans précédent et un résultat surprenant. Le résultat récent est en profond désaccord avec toutes les mesures précédentes de la masse du boson W, mais ce résultat n’est pas un hasard. Pour vous donner une idée de la précision de cette dernière mesure et à quel point il est peu probable que ce résultat soit une erreur, considérez ceci : si vous vous pesez plusieurs fois avec différentes balances, vous vous attendez à voir un écart. Mais un écart équivalent comme celui entre la mesure la plus récente et les mesures précédentes de la masse du boson W, ne se produirait statistiquement qu’après s’être pesé 1 milliard de fois.
Indices d’une nouvelle force fondamentale
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La mesure des propriétés du boson W est justement très importante. De la fusion stellaire à la datation au carbone, la masse du boson W affecte de nombreux calculs qui sous-tendent notre compréhension de l’Univers. Par exemple, sa masse est liée à la durée de vie d’autres particules, qui sont à leur tour importantes pour comprendre comment l’Univers s’est développé après le Big Bang. Mais peut-être que la conséquence la plus importante de cette dernière mesure de la masse du boson W est qu’elle le met en tension avec notre théorie la plus aboutie sur la physique des particules : le modèle standard.
À ce stade, vous vous demandez probablement : qu’est-ce qu’un boson W, à quoi sert-il et quelles sont les implications réelles de ce résultat surprenant ?
Le boson W est une particule fondamentale médiatrice de la force faible, une force que nous n’expérimentons jamais directement car elle n’agit que sur des distances subatomiques. Toutes les autres forces fondamentales connues donnent naissance à des systèmes liés : par exemple, les systèmes solaires liés entre eux par la gravité, les atomes liés entre eux par la force électromagnétique et les noyaux atomiques liés par la force forte. La force faible ne donne pas naissance à de tels systèmes liés, mais est cruciale pour de nombreux phénomènes naturels qui affectent notre vie quotidienne. Le processus de fusion dans le soleil est initié par la transformation de l’hydrogène en hydrogène lourd via la force faible. Sans le boson W, le soleil serait très faible. Tous les atomes que nous connaissons sont constitués de protons, de neutrons et d’électrons, mais il existe de nombreuses particules différentes. Pourquoi ne fabriquent-ils jamais d’atomes ou de structures plus compliquées ? Parce qu’ils se désintègrent rapidement en raison de la force faible.
Ce qui rend la force faible si unique, c’est le fait que le boson W peut modifier les charges des autres particules avec lesquelles il interagit. Il peut transformer un électron (charge -1) en neutrino (charge 0), ou un neutron (charge 0) en proton (charge +1). Des méthodes comme la datation au carbone reposent directement sur cette propriété. La lente désintégration des neutrons en protons dans les isotopes du carbone nous permet de dater les artefacts archéologiques et serait impossible sans le boson W.
Mesurer directement la masse du boson W est extrêmement difficile.
À tel point que mes collègues expérimentateurs l’ont surnommée “la mesure la plus difficile en physique des hautes énergies”. Il y a plusieurs raisons qui rendent cela si difficile :
Premièrement, les bosons W sont très lourds pour les particules élémentaires. Un seul boson W pèse 80 fois plus qu’un proton. Les accélérateurs sont le seul endroit au monde où une énorme énergie peut être mobilisée pour les produire. Mais une fois qu’ils sont produits, les bosons W se désintègrent immédiatement et la détermination de leur masse nécessite des mesures des produits de désintégration et la reconstruction à partir de ces mesures. Pour aggraver les choses, les collisionneurs qui produisent des bosons W produisent inévitablement aussi des centaines et des centaines d’autres particules. Déterminer si un boson W a été produit et mesurer sa masse, c’est un peu comme trouver des pièces de puzzle connectées dans une énorme boîte pleine d’entre elles, puis les assembler correctement – et il en manque certaines et il y a plus d’une façon qu’elles pourraient en forme.
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Contrairement à de nombreuses anomalies qui ont déjà remis en question le statut du modèle standard, il est statistiquement presque impossible que le résultat CDF soit un hasard.
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La collaboration CDF a réalisé cet exercice avec un ensemble de données de quatre millions de bosons W collectés de 2002 à 2011 au collisionneur Tevatron du Fermilab, à environ une heure de Chicago. La pesée du boson W a pris plus d’une décennie à la collaboration. Et les résultats sont spectaculaires. Non seulement CDF a fourni la mesure la plus précise de la masse W jamais obtenue, mais leur résultat est en désaccord avec toutes les mesures précédentes, le mettant en tension directe avec d’innombrables expériences qui ont confirmé la théorie la plus réussie jamais développée par les physiciens des hautes énergies : la norme Modèle de physique des particules. On ne saurait exagérer à quel point c’est remarquable : la mesure CDF est décalée de moins d’un sur mille, mais la précision obtenue est d’un sur dix mille !
Cette énorme précision est la raison pour laquelle cette mesure a attiré l’attention des physiciens du monde entier. Contrairement à de nombreuses anomalies qui ont déjà remis en question le statut du modèle standard, il est statistiquement presque impossible que le résultat CDF soit un hasard. Mais si ce n’est pas un coup de chance, qu’est-ce que c’est alors ? Les expérimentateurs du CDF ont-ils découvert un premier signe de nouvelle physique dans leurs données ?
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Alors qu’une seule mesure établit rarement une nouvelle théorie de la physique, elle peut identifier des structures qui pourraient remplacer la prédiction du modèle standard.
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Dans le sillage de l’annonce du CDF, un double défi émerge : Une analyse complète de tous les outils et techniques appliqués pour extraire la masse W de la montagne de données est en cours. Les expérimentateurs sonderont encore et encore s’il existe une incertitude non prise en compte, une explication dans le processus de mesure pour cet écart presque impossible.
En attendant, les physiciens théoriciens se posent la question d’une origine différente, plus spéculative. La structure des masses de bosons est une prédiction du modèle standard. Cette structure est très rigide. Il n’est pas possible de simplement modifier la masse du boson W sans modifier d’autres observables tels que la désintégration des quarks et des leptons lourds, la mesure de la masse du boson Z et diverses autres mesures qui ont confirmé la structure du modèle standard maintes et maintes fois. . . C’est à moins qu’il n’y ait quelque chose d’autre qui modifie cette structure, quelque chose qui a été manqué par d’autres expériences jusqu’à présent, quelque chose de nouveau et d’inattendu, se manifestant dans les collisions du collisionneur Tevatron.
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Un certain nombre d’études initiales montrent que la présence d’un autre boson de Higgs, ou de nouvelles particules lourdes interagissant avec le boson W, comme le prédisent certaines théories de la matière noire, pourraient toutes deux être responsables de l’écart.
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Les théoriciens vont scruter attentivement les calculs du Modèle Standard, il est clair que si la mesure CDF tient, le Modèle Standard seul ne suffira plus à expliquer toutes nos données expérimentales. Et bien qu’une seule mesure établisse rarement une nouvelle théorie de la physique, elle peut identifier des structures qui pourraient remplacer la prédiction du modèle standard.
Un certain nombre d’études initiales montrent que la présence d’un autre boson de Higgs ou de nouvelles particules lourdes interagissant avec le boson W, telles qu’elles sont prédites dans certaines théories de la matière noire, pourraient toutes deux être responsables de l’écart. Si ces nouvelles particules déplacent réellement la masse W, elles peuvent également être produites ailleurs. Guidées par des études théoriques, les données du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du Cern seront examinées à la recherche de signes de ces nouvelles particules et les résultats permettront d’affiner les explications possibles ou de fournir d’autres indices sur la nature de la physique sous-jacente. Le LHC fait entrer en collision des protons avec un enregistrer 7 fois l’énergie du Tevatron avec lequel CDF a pris leurs données. Il vient de commencer sa troisième exécution et devrait collecter plus de données que les deux premières exécutions combinées.
Même si ces recherches s’avèrent infructueuses, les données du LHC permettront éventuellement une mesure tout aussi précise, voire plus précise, de la masse du W et confirmeront ou contrediront la mesure du CDF.
La complexité de la «mesure la plus difficile en physique des hautes énergies» en fait une énigme très difficile à résoudre. Ce sera avec nous pendant un certain temps. Mais nous, physiciens, avons depuis longtemps abandonné la croyance que nous pouvons toujours prédire où se trouvera la nouvelle physique. Trop souvent, nous avons été aveuglés par des découvertes inattendues.
S’il y a quelque chose que nous pouvons dire avec certitude à l’heure actuelle, c’est que le financement continu de la recherche fondamentale est indispensable. Il a fallu dix ans pour prendre les données et encore dix ans pour l’analyse et si nous avions coupé le financement à un moment donné, la «mesure la plus difficile en physique des hautes énergies» n’aurait jamais été achevée et ce que nous apprendrons de la mesure impressionnante par CDF serait resté enfoui dans les données.