La physique connue est remise en cause par la masse du boson W !

La masse du boson W vient d'être mesurée avec une précision record, ce qui pourrait nous aider à découvrir une nouvelle physique. © shacil, Adobe Stock
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  À cheval entre la France et la Suisse, le Grand collisionneur de hadrons permet actuellement de faire des collisions de protons à une énergie de 13 TeV (téraélectronvolts). Découvrez le fonctionnement de cet impressionnant outil en vidéo grâce au Cern. 

« A bolt out of the blue », c’est une expression anglo-saxonne que l’on pourrait traduire par « un éclair tombant d’un ciel bleu » pour décrire l’annonce faite aujourd’hui par les membres de la collaboration CDF du Fermilab via un article dans Science. Le Collider Detector at Fermilab (CDF), littéralement « Détecteur pour collisionneur au Fermilab » n’existe plus depuis plus d’une décennie car il a été arrêté en même temps que le Tevatron le . Ce collisionneur de protons et d’antiprotons ne pouvait alors plus  être en compétition avec le LHC qui permet de faire des collisions à plus de 10 TeV entre des protons, collisions produisant bien d’autres particules par conversion de l’énergie en masse de ces particules. En effet, le record en énergie des collisions au Tevatron, qui était situé tout proche de Chicago, n’était que de 1,96 TeV (rappelons que dans l’unité de masse fournie par la relation d’Einstein pour l’énergie, 1 TeV permet de produire environ 1.000 protons, la masse d’un proton étant d’environ 938 MeV/c2.).

Le Tevatron était entré en service au début des années 1980 et il avait sans cesse été amélioré, permettant déjà en novembre 1986 de faire des collisions à 1,8 TeV. Comme les protons sont constitués de quarks et de gluons, tout comme les antiprotons, les collisions individuelles se font en réalité au niveau de ces composants, de sorte qu’une énergie de 1,8 TeV est répartie entre les particules constituantes.

Le Tevatron avait permis la découverte du quark top en 1995 et il était déjà en mesure de partir à la chasse au boson de Brout-Englert-Higgs et aux particules de matière noire, prédites par la supersymétrie par exemple. Ainsi, l’un des deux grands détecteurs équipant le TeVatron, CDF donc, pouvait chasser ces particules dès 1985.

Une violation spectaculaire de la physique connue

En fait, on peut chasser de la nouvelle physique soit directement, en tentant de créer de nouvelles particules, soit indirectement, en mesurant des anomalies, des écarts entre des prédictions théoriques et des mesures par exemple de masses de particules connues, de leur moment magnétique (on peut citer la question toujours ouverte de celui du muon), de certains taux de réactions produisant des particules là aussi connues.

Et justement, les membres de la collaboration CDF, qui contient des centaines de physiciens de par le monde, ont continué à analyser les données collectées par CDF jusqu’à sa fermeture et qui concernent la masse du boson W.

Futura avait déjà parlé de ce boson dans les précédents articles ci-dessous auxquels nous vous renvoyons. Mais on peut rappeler rapidement que ce cousin lourd et chargé du photon intervient dans les réactions avec la force nucléaire faible responsable de la radioactivité bêta qui chauffe la Terre via des isotopes radioactifs, mais prend part également aux réactions thermonucléaires qui font briller le Soleil.

Le LHC, avec ses détecteurs géants Atlas et CMS, a lui aussi permis de produire des bosons W et de les étudier mais, si à terme il permettra d’aboutir à des conclusions plus précises et plus robustes que dans le cas du Tevatron avec CDF, le volume de données collectées et déjà analysées ne permet pas encore de faire mieux que dans le cas de CDF. Et c’est là qu’une surprise est arrivée !

Dans le cadre du Modèle standard de la physique des particules, la masse d’un boson W est un paramètre libre qui doit être fixé par une nouvelle physique. Toutefois, sa valeur est contrainte par celles d’autres paramètres dans les équations comme la masse du boson de Brout-Englert-Higgs et la charge électrique et les masses des autres particules comme les électrons et les quarks.

Il s’est finalement avéré que la masse mesurée aujourd’hui avec une précision de 0,01% , et qui vaut 80,357 ± 6 MeV/c2, est en désaccord avec ces contraintes et ce avec une valeur de 7 sigma, comme disent les physiciens dans leur jargon (des explications sur ces sigma se trouvent dans la vidéo de la physicienne Nathalie Besson, ci-dessous).

Pour vous permettre de suivre le suspense des avancées du LHC, une chercheuse de l’expérience Atlas vous propose de mieux appréhender l’interprétation statistique des mesures. Qu’est-ce qu’une « fluctuation statistique » ? Qu’entend-on par 2, 3 ou 5 sigma ? © CEA Recherche

Un tel désaccord est énorme, car il exprime le fait qu’il est extrêmement improbable que le signal enregistré dans le détecteur soit ce qu’on appelle un bruit statistique dû au hasard, tout comme le fait que parfois un nuage semble prendre la forme d’un animal ou d’un objet. La probabilité que ce soit une fluctuation statistique est en effet d’environ 1 sur 390 milliards !

La prudence s’impose, on a bien pensé pendant un moment que l’on avait découvert des neutrinos voyageant plus vite que la lumière. Mais si tel est bien le cas, l’anomalie de la masse du boson W pourrait trahir l’existence dans les effets quantiques déterminant la masse de la présence de nouvelles particules, comme celles prédites par la supersymétrie ou la théorie des supercordes.

Le LHC va bientôt redémarrer et il sera encore perfectionné dans les années à venir avec des progrès dans la luminosité des faisceaux. Les analyses des données qu’il a déjà collectées sont aussi toujours en cours, elle pourrait confirmer les conclusions tirées des données de CDF. L’idéal serait aussi que le LHC produise effectivement des particules détectables d’une nouvelle physique.

Ce qu’il faut retenir

  • Le boson W est une particule chargée et massive, cousine du photon. Comme ce dernier, il participe aux interactions électrofaibles de la théorie unifiée de Glashow-Salam-Weinberg.
  • L’annonce de sa découverte a été faite au Cern le 25 janvier 1983, indiquant implicitement l’existence du boson de Brout-Englert-Higgs qui lui donne sa masse.
  • Celle-ci a été mesurée avec une précision de 0,02 % grâce aux mesures faites au LHC en 2011. Une détermination encore plus précise pourrait servir à mettre en évidence une nouvelle physique. Bien des données collectées avec le LHC ces dernières années attendent encore d’être analysées à ce sujet.
  • Des analyses conduites au cours d’une décennie avec les données collectées par un prédécesseur du LHC, le collisionneur de protons et d’antiprotons aux États-Unis appelé le Tevatron mais qui n’existe plus, laisse entendre qu’il y a bel et bien des signes de cette nouvelle physique en 2022 avec la masse du boson W.

Masse du boson W : le Cern toujours en quête d’une nouvelle physique

Article de Laurent Sacco publié le 15/02/2018

Il y a presque trente-cinq ans, le Cern annonçait la découverte du boson W. Clé de voûte du modèle standard, sa masse est donnée par l’existence du boson de Brout-Englert-Higgs. Celle-ci vient d’être mesurée avec une précision record, ce qui pourrait nous aider à découvrir une nouvelle physique.

Le boson W est un cousin du photon sauf qu’il est massif et qu’il est chargé. C’est l’une des particules responsables des forces dites « électrofaibles » entre quarks et leptons dans le modèle standard. Il permet une description fine de la radioactivité bêta et des processus de nucléosynthèse qui font briller le Soleil et les étoiles sur la séquence principale. Il permet aussi une description de la formation des étoiles à neutrons accompagnant les supernovae de type SN II.

En fait, l’existence du boson W a été prédite presque dix ans avant la publication de la fameuse théorie des forces électrofaibles de Glashow-Salam-Weinberg dans deux publications, l’une faite par Richard Feynman et Murray Gell-Mann (1958) et l’autre par E. C. G. Sudarshan et R. E. Marshak (1957), comme l’explique le physicien Leite Lopes, qui a été partie prenante de cette complexe gestation d’une théorie unifiée des forces électromagnétiques nucléaires faibles.

La masse du boson W résulte de l’existence du fameux boson de Brout-Englert-Higgs. Plus facile à mettre en évidence dans des expériences de collisions de particules, le boson W a été découvert dès 1983 au Cern, soit presque trente ans avant la découverte du boson de Brout-Englert-Higgs (voir article ci-dessous).

Une présentation du boson W. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais apparaissent alors. Cliquez ensuite sur la roue dentée à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Cern

Un boson W est environ 80 fois plus lourd qu’un proton

Les membres de la collaboration Atlas, l’un des détecteurs géants du LHC, viennent de faire savoir que leur travail concernant une mesure très précise de la masse du boson W avait finalement été publié dans The European Physical Journal C alors qu’un article à ce sujet était déjà disponible sur arXiv l’année dernière. On y apprend que cette masse est de 80.370 ± 19 MeV, ce qui fait qu’un boson W est environ 80 fois plus lourd qu’un proton.

Cette estimation est le résultat de cinq ans de travail acharné à partir des mesures concernant 14 millions de bosons W détectés par Atlas uniquement pendant l’année 2011 avec des collisions à TeV (téraélectronvolts). Autant dire que l’on est encore au tout début des études fines de ce boson, car les faisceaux de protons au LHC sont devenus plus lumineux et plus énergétiques au cours de ces dernières années ; ils ont donc permis la création d’un bien plus grand nombre de bosons W.

La valeur précise de cette masse est corrélée à celles de plusieurs autres particules du modèle standard et potentiellement à des effets d’une nouvelle physique comme la supersymétrie, qui pourrait être la clé de la nature de la matière noire et de l’énergie noire. Aucun signe de cette nouvelle physique n’est encore sorti de l’étude du boson W, qui se comporte donc avec une excellente précision, comme le prédit le modèle standard. Toutefois, nous n’en sommes qu’au début de l’exploitation des données du LHC.

En vidéo : il y a 30 ans, on découvrait le boson W

Article de Laurent Sacco publié le 28/01/2013

Le 25 janvier 1983, le Cern annonçait que la découverte du boson W prédit par une théorie unifiée des forces électromagnétique et nucléaires faibles. C’est parce que le mécanisme de Brout-Englert-Higgs expliquait la masse de cette particule que la chasse au boson de Higgs a été lancée.

En 1967, Steven Weinberg et, peu de temps après, Abdus Salam, publient leur théorie unifiée des forces électromagnétique et nucléaire faible. C’est le fameux modèle électrofaible, qui reprend en partie les travaux de Sheldon Glashow. On le désigne souvent comme le modèle de Glashow-Salam-Weinberg (GSW).

Il utilise de façon essentielle le mécanisme Brout-Englert-Higgs. Basé sur l’existence du champ de Higgs, ce modèle permet de doter d’une masse les bosons intermédiaires W et Z impliqués par la théorie. Sans ce mécanisme, ces bosons, équivalents des photons du champ de Maxwell, qui véhiculent les forces électrofaibles entre les quarks et les leptons, seraient sans masse.

En 1982, au Cern, une équipe de physiciens, dirigée par l’Italien Carlo Rubbia, réalise une des plus extraordinaires expériences de la physique contemporaine. L’objectif est de prouver l’existence de deux nouvelles particules subatomiques, les bosons W et Z, et de confirmer ainsi la théorie électrofaible proposée dans les années 1960 par Abdus Salam, Shelton Glashow et Steven Weinberg. © Cern, BBC Open University, YouTube

Les bosons W, des bosons massifs et chargés

Dès 1973, au Cern, certaines prédictions du modèle GSW sont vérifiées, en l’occurrence les courants neutres. Glashow, Salam et Weinberg reçoivent alors le prix Nobel de physique en 1979 mais les bosons W et Z, prédictions fondamentales de leur théorie, ne sont pas encore découverts.

Le physicien Carlo Rubbia se fait fort peu de temps après, de découvrir ces bosons intermédiaires grâce à des collisions en accélérateur. Dès 1976, avec Peter McIntyre et David Cline, il propose de modifier dans ce but le plus grand accélérateur du Cern, le SPS, pour en faire un collisionneur à deux faisceaux, l’un de protons et l’autre d’antiprotons.

Des collisions de protons et d’antiprotons

De cette façon, il devient possible d’atteindre les énergies nécessaires pour créer suffisamment de bosons W. Mais il faut commencer par résoudre le problème de la production de faisceaux intenses d’antiprotons. La contribution à la solution de ce problème par Simon van de Meer sera cruciale.

Une autre clé importante dans la découverte des bosons W et Z repose sur la construction de détecteurs géants, couplés à des ordinateurs. C’est une nécessité pour chercher, dans les feux d’artifice de particules produites par les collisions de faisceaux, de rares événements causés par l’apparition fugace et la désintégration extrêmement rapide des bosons électrofaibles instables.

Deux détecteurs représentant le sommet de la technologie de l’époque, c’est-à-dire de la fin des années 1970 et du début des années 1980, voient donc le jour : UA1, héritier de la chambre multifils de Georges Charpak, et un autre, baptisé UA2.

Un autre documentaire sur la découverte des bosons W, au Cern, au début des années 1980. Ces bosons sont massifs en raison de l’existence supposée du mécanisme de Brout-Englert-Higgs. Voici quelques-unes des clés pour comprendre comment s’est déroulée leur découverte. © Cern

L’indispensable détecteur de Georges Charpak

Le 20 janvier 1983, Carlo Rubbia annonce finalement au Cern l’observation par UA1 de six événements candidats au titre de boson W. Il est suivi de très peu par Luigi Di Lella, qui, l’après-midi suivante, rapporte l’observation de quatre événements candidats repérés grâce à l’UA2.

C’est finalement le 25 janvier 1983 qu’une conférence de presse révèle que Sheldon Glashow, Abdus Salam et Steven Weinberg avaient vu juste. L’année suivante, Carlo Rubbia et Simon van der Meer reçoivent le prix Nobel de physique pour leur contribution à la découverte des particules W et Z.

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