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Pourquoi les scientifiques s’inquiètent du boson W : “Quelque chose ne va pas”

Le détecteur de particules à l’intérieur de la salle de collision.

Laboratoire Fermi

Vous avez probablement entendu parler des protons, des points positifs ancrant les atomes. Vous avez probablement rencontré des électrons, des points négatifs errant autour de ces protons. Vous avez peut-être même réfléchi aux photons, les trucs qui sortent des ampoules dans votre chambre.

Mais en ce moment, nous devons nous inquiéter d’une petite particule étrange qui échappe généralement aux feux de la rampe : le boson W.

Avec son partenaire dans le crime, le boson Z, le boson W dicte ce qu’on appelle la “force faible”. Je vais vous sauver du terrier du lapin du fonctionnement de la force faible car cela implique une physique qui va exploser nos esprits. Fais-moi confiance. Sachez simplement que sans la force faible, le soleil cesserait de brûler.

Quoi qu’il en soit, il y a un drame avec le boson W. Selon un article publié jeudi dans la revue Science, 10 ans de données incroyablement précises suggèrent que la particule est plus massive que ne le prédit notre physique. À moins d’être physicien, à première vue, cela peut sembler trivial. Mais c’est en fait un problème majeur pour… genre de tout.

Plus précisément, cela suscite un paradoxe pour le modèle standard de la physique des particules, une théorie bien établie et évolutive qui explique le comportement de toutes les particules de l’univers – protons, électrons, photons et même ceux dont nous n’entendons pas vraiment parler comme les gluons. , muons, je pourrais continuer. Le boson W est là aussi.

“C’est l’une des pierres angulaires du modèle standard”, a déclaré Giorgio Chiarelli, directeur de recherche de l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare en Italie et co-auteur de l’étude.

Mais voici le nœud du modèle standard. C’est comme un monde de particules symbiotique. Considérez chaque particule du modèle comme une chaîne, parfaitement organisée pour tout lier. Si une corde est trop serrée, les choses commencent à devenir bancales – peu importe la corde. En tant que tel, le modèle standard prédit quelques paramètres pour chaque “chaîne” ou particule, et un très important est la masse du boson W.

En termes simples, si cette particule n’est pas égale à cette masse, le reste du modèle ne fonctionnerait pas tout à fait. Et si c’était vrai, nous devrions changer de modèle — nous devrions changer notre compréhension de la façon dont toutes les particules de l’univers travail.

Eh bien, vous vous souvenez du nouveau journal ? Nous entrons à peu près dans le pire des scénarios.

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Une image des particules dans le modèle standard.

Laboratoire Fermi

Une décennie de calculs, de mesures, de recoupements, de casse-tête et de respiration profonde d’environ 400 chercheurs internationaux ont conclu que le boson W est légèrement plus lourd que ne le prédit le modèle standard.

“Ce n’est pas une grande différence, mais nous pouvons vraiment voir clairement que c’est différent”, a déclaré David Toback, physicien des particules de la Texas A&M University et co-auteur de l’étude. “Quelque chose ne va pas.”

Vous vous demandez peut-être si nous en sommes sûrs. La communauté scientifique a eu la même réaction, c’est pourquoi les chercheurs se concentrent maintenant sur la confirmation que cette plus grande masse de boson W est vraiment le cas.

“Il se peut que nous nous soyons trompés”, a déclaré Toback. Mais il a rapidement ajouté : “Nous ne le pensons pas.”

C’est parce que, comme l’explique Toback, l’équipe “a mesuré cette infime différence avec une précision si incroyable qu’elle ressort comme un pouce endolori”. Et de manière fascinante, ces mesures ressemblent en quelque sorte à une déduction de type scène de crime.

Regarder ce qui manque

Pour obtenir un boson W en premier lieu, vous devez littéralement écraser deux protons ensemble.

Cela produit un éventail d’autres particules du modèle standard, et les scientifiques n’ont qu’à espérer que l’une d’entre elles est celle qu’ils veulent examiner. (Dans ce cas, c’est le boson W).

Pour les nouvelles mesures, les chercheurs ont utilisé les données de collision d’un accélérateur de particules désormais hors service au Fermi National Accelerator Laboratory dans l’Illinois. Heureusement, il a produit quelques bosons W et, en fait, contenait suffisamment de données sur les bosons W pour obtenir environ quatre fois la quantité utilisée lors des mesures précédentes. Cagnotte.

Mais il y a une complication. Le boson W est fugace. Il se divise rapidement en deux particules plus petites, vous ne pouvez donc pas le mesurer directement. L’un d’eux est soit un électron, soit un muon, qui pouvez être mesuré directement, mais l’autre est sans doute encore plus étrange que le boson W lui-même : un neutrino.

Les neutrinos sont appelés à juste titre “particules fantômes”, car ils ne touchent rien. Ils vous traversent même en trombe en ce moment, mais vous ne pouvez pas le dire car ils ne touchent pas les atomes qui composent votre corps. Mystérieux, je sais.

Cet obstacle fantomatique signifie que les scientifiques doivent faire preuve de créativité. Entrez, l’art de la déduction.

Une fois les neutrinos disparus, ils laissent derrière eux une sorte de trou. “L’empreinte du neutrino manque d’énergie”, a déclaré Chiarelli. “Cela nous indique où le neutrino est allé et combien d’énergie a été emportée.”

C’est un peu le même concept qu’une radiographie. “La radiographie passe, mais pour le point où vous avez un morceau de métal, vous pouvez voir la forme”, a déclaré Chiarelli. La “forme” est “l’énergie manquante”.

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Une vue aérienne du collisionneur de 1999.

Laboratoire Fermi

Ensuite, après avoir décodé le neutrino, les scientifiques ont utilisé un tas d’équations complexes pour l’additionner avec les données d’électrons ou de muons. Cela a conduit à la masse globale du boson W. Cette mesure a été effectuée de nombreuses fois pour s’assurer que tout était aussi précis que possible. De plus, toutes les données ont été renforcées par des calculs théoriques qui ont mûri depuis la dernière fois que le boson W a été mesuré.

Pourtant… il y a une autre complication.

Comme dans toutes les activités scientifiques, il n’y a pas de bonne ou de mauvaise réponse. Il n’y a que le répondre. Mais comme pour toute pensée humaine, il existe une possibilité de parti pris, et l’équipe ne voulait pas être victime d’une telle erreur personnelle. Toback cite Sherlock Holmes pour expliquer la mentalité de l’équipe : « Il faut trouver des théories adaptées aux faits, et non des faits adaptés aux théories.

“Est-ce plus stressant?” fit-il remarquer. “Oui, mais la nature ne se soucie pas de mon stress. Ce que nous voulons, c’est connaître la réponse.”

Par conséquent, non seulement l’équipe a vérifié ses données deux, trois ou quatre fois, mais elle l’a fait tout en étant totalement aveugle à la réponse finale. Lorsque la boîte contenant le résultat de masse du boson W était ouverte, tout le monde la regardait pour la première fois.

Avance rapide jusqu’en 2020, lorsque les tensions sont élevées, la boîte est enfin ouverte et la masse du boson W est clairement en conflit avec la prédiction du modèle standard.

“Ce n’était pas un moment Eureka”, a déclaré Chiarelli. “C’était un moment qui donne à réfléchir. Nous étions sceptiques. La science est organisée dans le scepticisme.”

Mais avec le temps, même ce scepticisme s’est estompé et nous y voilà.

Tout cela semble très solide. Maintenant quoi?

En un sens, cette information a mis du temps à arriver. “Nous savons depuis le début que le modèle standard ne peut pas être la théorie ultime”, a déclaré Chiarelli.

Par exemple, le modèle standard ne peut pas expliquer la gravité, la matière noire et de nombreux autres aspects insaisissables de notre univers.

Une idée est que cette nouvelle information sur la masse du boson W pourrait signifier que nous devons ajouter des particules au modèle standard pour tenir compte du changement. Cela pourrait, à son tour, avoir un impact sur ce que nous savons du célèbre boson de Higgs, ou “particule divine”, qui a finalement été détecté en 2012 et a rencontré des applaudissements bouleversants.

“Mais nous n’en sommes pas là”, a déclaré Toback. “Ce serait de la pure spéculation.”

Et, plutôt que de spéculer, Toback et Chiarelli conviennent qu’il suffit de suivre les faits, même si nous savons que les faits nous mèneront un jour à une nouvelle théorie fondamentale de la physique des particules.

“C’est comme se déplacer dans le noir”, a déclaré Chiarelli. “Vous savez qu’il y a un chemin qui est correct, mais vous ne savez pas où… peut-être que notre mesure peut nous donner la bonne direction à suivre.”

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