Modèle standard de physique mis au défi par la mesure la plus précise de la particule de boson W à ce jour

Artist's impression of subatomic particles.
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De nouvelles mesures d’une particule subatomique fournissent l’indice le plus fort à ce jour qu’il manque peut-être un élément fondamental à la principale théorie de la physique quantique qui explique notre univers, selon les scientifiques.

Cette théorie – le modèle standard de la physique des particules – décrit comment un ensemble de particules et de forces subatomiques interagissent pour créer le monde tel que nous le voyons.

Mais le modèle n’est pas parfait. Par exemple, il ne peut pas expliquer l’existence de phénomènes tels que la matière noire, qui représente 84 % de la matière dans le cosmos, ou la gravité.

Ainsi, les scientifiques du monde entier ont fracassé des particules ensemble pour voir s’il y a de nouveaux calculs ou éléments qui peuvent être ajoutés au modèle standard qui peuvent expliquer ces mystères.

Dix ans après la fin de l’une de ces expériences aux États-Unis, les scientifiques de la collaboration Collider Detector at Fermilab (CDF) ont publié les mesures les plus précises à ce jour de la particule de boson W.

Leurs résultats, publiés aujourd’hui dans la revue Science, indiquent que la particule porteuse de force est beaucoup plus lourde que ce qui avait été prédit par le modèle standard.

Le responsable de la collaboration, Ashutosh Kotwal, de l’Université Duke, a déclaré que le résultat suggérait que le modèle standard nécessitait bien plus qu’un simple ajustement aux calculs complexes qui prédisent la masse de chaque particule.

“Cela signifie qu’un composant manquant [such as a new particle or force] pourrait être là-bas dans la nature et c’est la première preuve claire de cela.”

Mais seul le temps et de nouvelles expériences par d’autres collisionneurs tels que le Large Hadron Collider aussi mesurer la masse du boson W pourra le dire, a-t-il ajouté.

Pourquoi le boson W est important

Le boson W porte la force nucléaire faible, l’une des quatre forces fondamentales de la nature.

L’interaction du boson W avec d’autres particules via la force nucléaire faible provoque la désintégration radioactive de particules telles que les neutrons dans le noyau d’un atome en d’autres particules telles que les protons, et vice versa.

Ce processus permet au Soleil et aux autres étoiles de briller et crée des éléments plus lourds à partir d’éléments plus légers.

En raison de la façon dont le boson W interagit avec d’autres particules, il est au cœur de la Modèle standard.

Le modèle standard de la physique décrit les particules et les forces connues qui opèrent à l’échelle quantique minuscule.(Wikimedia Commons : Mlle J)

“Vous pouvez modifier le modèle standard de nombreuses manières, de différentes manières, et toutes ont un certain type d’effet sur la masse de ce boson”, a déclaré le professeur Kotwal.

C’est l’une des raisons pour lesquelles la collaboration a choisi de mesurer la masse du boson W.

“Vous voulez vraiment, vraiment mesurer le boson W aussi précisément que possible pour soumettre le modèle standard au test de résistance”, a déclaré le professeur Kotwal.

L’équipe internationale a mené ses expériences à l’accélérateur de particules Tevatron dans l’Illinois entre 2002 et 2011.

Ils ont envoyé des groupes de protons – des particules subatomiques à charge positive – tourbillonnant autour d’une boucle de 4 kilomètres à grande vitesse pour se briser en groupes de leur équivalent antiparticule, qui ont une charge négative.

“Il y a beaucoup d’énergie dans les protons et les antiprotons et tout cela s’envole”, a déclaré le professeur Kotwal.

“Et de temps en temps, un boson W est produit à la suite d’un de ces écrasements.”

La masse du boson W est calculée par l’énergie libérée lorsque la particule se désintègre en utilisant la célèbre équation d’Einstein E = mc2.

La mesure précise du boson W en 2012 par l’équipe du Laboratoire Fermi a mis en évidence la masse de la particule insaisissable du boson de Higgs, qui a été détectée peu après par les physiciens du Large Hadron Collider.

Particule de boson de Higgs
Le boson W a joué un rôle important dans la découverte de la particule de boson de Higgs (ci-dessus) en 2012.(Fourni : CERN)

La découverte de la particule boson de Higgs, qui donne la masse à toutes les autres particules, a complété le modèle standard.

Mais après la découverte du Higgs, il n’y avait plus de marge de manœuvre dans le modèle mathématique pour que la masse du boson W change.

C’est pourquoi les dernières mesures, basées sur les 10 années complètes de données, ont été surprenantes.

L’analyse, qui a duré 10 ans, a mesuré le boson W à 80 433,5 mégaélectronvolts, plus ou moins 9,4.

C’est environ 70 à 85 MeV de plus que ce que prédit le modèle standard.

Le grand écart “fait vraiment dresser les oreilles”, a déclaré Ray Volkas, un physicien théoricien des particules à l’Université de Melbourne, qui ne faisait pas partie de l’équipe de 400 personnes du Fermilab.

“Si le résultat est correct, il y a une probabilité d’une partie sur un million de millions que la valeur du modèle standard pour le boson W soit correcte, donc essentiellement une probabilité nulle.”

La chasse à la nouvelle physique

Le professeur Volkas a déclaré que la mesure renforçait les arguments en faveur de l’existence de la physique au-delà du modèle standard.

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