Une particule nouvellement mesurée pourrait briser la physique connue

Les physiciens ont découvert qu’une particule élémentaire appelée boson W semble être trop lourde de 0,1 % – une infime différence qui pourrait préfigurer un énorme changement dans la physique fondamentale.

La mesure, rapportée le 7 avril dans le journal science, provient d’un ancien collisionneur de particules du Fermi National Accelerator Laboratory à Batavia, dans l’Illinois, qui a brisé ses derniers protons il y a dix ans. Les quelque 400 membres de la collaboration Collider Detector at Fermilab (CDF) ont continué à analyser les bosons W produits par le collisionneur, appelé le Tevatron, traquant une myriade de sources d’erreur pour atteindre un niveau de précision inégalé.

Si le poids excessif du W par rapport à la prédiction théorique standard peut être confirmé de manière indépendante, la découverte impliquerait l’existence de particules ou de forces non découvertes et entraînerait la première réécriture majeure des lois de la physique quantique en un demi-siècle.

“Ce serait un changement complet dans notre façon de voir le monde”, rivalisant même potentiellement avec la découverte du boson de Higgs en 2012, a déclaré Sven Heinemeyer, physicien à l’Institut de physique théorique de Madrid qui ne fait pas partie du CDF. “Le Higgs s’intègre bien dans l’image précédemment connue. Celui-ci serait un domaine complètement nouveau dans lequel entrer.

La découverte intervient à un moment où la communauté des physiciens a soif de failles dans le modèle standard de la physique des particules, l’ensemble d’équations qui règne depuis longtemps capturant toutes les particules et forces connues. Le modèle standard est connu pour être incomplet, laissant divers grands mystères non résolus, tels que la nature de la matière noire. Les solides antécédents de la collaboration CDF font de leur nouveau résultat une menace crédible pour le modèle standard.

“Ils ont produit des centaines de belles mesures”, a déclaré Aida El-Khadra, physicienne théoricienne à l’Université de l’Illinois, Urbana-Champaign. “Ils sont connus pour être prudents.”

Mais personne n’a encore fait sauter le champagne. Alors que la nouvelle mesure de masse W, prise seule, s’écarte nettement de la prédiction du modèle standard, d’autres expériences pesant le W ont produit des résultats moins spectaculaires (bien que moins précis). En 2017, par exemple, l’expérience ATLAS au Large Hadron Collider en Europe a mesuré la masse de la particule W et a constaté qu’elle n’était qu’un cheveu plus lourde que ce que le modèle standard dit. Le conflit entre CDF et ATLAS suggère qu’un ou les deux groupes ont négligé une subtile bizarrerie de leurs expériences.

“J’aimerais que cela soit confirmé et comprendre la différence avec les mesures précédentes”, a déclaré Guillaume Unal, physicien au CERN, le laboratoire qui abrite le Large Hadron Collider, et membre de l’expérience ATLAS. “Le boson W doit être le même des deux côtés de l’Atlantique.”

“C’est un travail monumental”, a déclaré Frank Wilczek, physicien lauréat du prix Nobel au Massachusetts Institute of Technology, “mais il est très difficile de savoir quoi en faire”.

Bosons faibles

Les bosons W, avec les bosons Z, assurent la médiation de la force faible, l’une des quatre forces fondamentales de l’univers. Contrairement à la gravité, à l’électromagnétisme et à la force forte, la force faible ne pousse pas ou ne tire pas autant qu’elle transforme les particules plus lourdes en particules plus légères. Un muon se désintègre spontanément en un boson W et un neutrino, par exemple, et le W devient alors un électron et un autre neutrino. Le changement de forme subatomique connexe provoque la radioactivité et aide à garder le soleil brillant.

Diverses expériences ont mesuré les masses des bosons W et Z au cours des 40 dernières années. La masse du boson W s’est révélée être une cible particulièrement séduisante. Alors que d’autres masses de particules doivent simplement être mesurées et acceptées comme des faits de la nature, la masse W peut être prédite en combinant une poignée d’autres propriétés quantiques mesurables dans les équations du modèle standard.

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