Une décennie de science et des milliards de collisions montrent que le boson W est plus massif que prévu – un physicien de l’équipe explique ce que cela signifie pour le modèle standard

« Vous pouvez le faire rapidement, vous pouvez le faire à moindre coût ou vous pouvez le faire correctement. Nous l’avons bien fait. » Ce sont quelques-unes des remarques d’ouverture de David Toback, chef du Collider Detector au Fermilab, alors qu’il annonçait les résultats d’une expérience d’une décennie visant à mesurer la masse d’une particule appelée boson W.

Je suis un physicien des particules de haute énergie et je fais partie de l’équipe de centaines de scientifiques qui a construit et exploité le détecteur de collisionneur au Fermilab dans l’Illinois – connu sous le nom de CDF.

Après des milliards de collisions et des années de collecte de données et de calculs, l’équipe CDF a découvert que le boson W avait légèrement plus de masse que prévu. Bien que l’écart soit minime, les résultats, décrits dans un article publié dans Science le 7 avril 2022, ont électrisé le monde de la physique des particules. Si la mesure est correcte, c’est encore un autre signal fort qu’il manque des pièces au puzzle physique du fonctionnement de l’univers.

Le modèle standard de la physique des particules décrit les particules qui composent la masse et les forces de l’univers.
MissMJ / WikimediaCommons

Une particule qui porte la force faible

Le modèle standard de la physique des particules est le meilleur cadre scientifique actuel pour les lois fondamentales de l’univers et décrit trois forces fondamentales : la force électromagnétique, la force faible et la force forte.

La force forte maintient les noyaux atomiques ensemble. Mais certains noyaux sont instables et subissent une désintégration radioactive, libérant lentement de l’énergie en émettant des particules. Ce processus est entraîné par la force faible, et depuis le début des années 1900, les physiciens ont cherché une explication pour expliquer pourquoi et comment les atomes se désintègrent.

Selon le modèle standard, les forces sont transmises par des particules. Dans les années 1960, une série de percées théoriques et expérimentales ont proposé que la force faible soit transmise par des particules appelées bosons W et Z. Il a également postulé qu’une troisième particule, le boson de Higgs, est ce qui donne la masse à toutes les autres particules – y compris les bosons W et Z.

Depuis l’avènement du modèle standard dans les années 1960, les scientifiques ont parcouru la liste des particules prédites mais non découvertes et mesuré leurs propriétés. En 1983, deux expériences au CERN à Genève, en Suisse, ont capturé la première preuve de l’existence du boson W. Il semblait avoir la masse d’environ un atome de taille moyenne tel que le brome.

Dans les années 2000, il ne manquait plus qu’une seule pièce pour compléter le modèle standard et relier le tout : le boson de Higgs. J’ai participé à la recherche du boson de Higgs lors de trois expériences successives, et nous l’avons finalement découvert en 2012 au Large Hadron Collider du CERN.

Le modèle standard était complet et toutes les mesures que nous avons effectuées correspondaient parfaitement aux prédictions.

Un grand tube jaune entouré d'électronique.
Le Collider Detector du Laboratoire Fermi a recueilli des données sur des billions de collisions qui ont produit des millions de bosons W.
Bodhita / WikimediaCommons, CC BY-SA

Mesurer les bosons W

Tester le modèle standard est amusant – vous écrasez simplement des particules ensemble à des énergies très élevées. Ces collisions produisent brièvement des particules plus lourdes qui se désintègrent ensuite en particules plus légères. Les physiciens utilisent d’énormes détecteurs très sensibles dans des endroits comme le Fermilab et le CERN pour mesurer les propriétés et les interactions des particules produites lors de ces collisions.

Dans CDF, les bosons W sont produits environ une fois sur 10 millions lorsqu’un proton et un antiproton entrent en collision. Les antiprotons sont la version antimatière des protons, avec exactement la même masse mais une charge opposée. Les protons sont constitués de particules fondamentales plus petites appelées quarks, et les antiprotons sont constitués d’antiquarks. C’est la collision entre quarks et antiquarks qui crée les bosons W. Les bosons W se désintègrent si rapidement qu’ils sont impossibles à mesurer directement. Ainsi, les physiciens suivent l’énergie produite par leur désintégration pour mesurer la masse des bosons W.

Au cours des 40 années écoulées depuis que les scientifiques ont détecté pour la première fois la présence du boson W, des expériences successives ont permis d’obtenir des mesures de plus en plus précises de sa masse. Mais ce n’est que depuis la mesure du boson de Higgs – puisqu’il donne de la masse à toutes les autres particules – que les chercheurs ont pu comparer la masse mesurée des bosons W à la masse prédite par le modèle standard. La prédiction et les expériences correspondaient toujours – jusqu’à maintenant.

Un graphique montrant deux cercles près d'une ligne.
La nouvelle mesure du boson W (cercle rouge) est beaucoup plus éloignée de la masse prédite par le modèle standard (ligne violette) et également supérieure à la mesure préliminaire de l’expérience.
Collaboration CDF via Science Magazine, CC BY

Étonnamment lourd

Le détecteur CDF du Fermilab est excellent pour mesurer avec précision les bosons W. De 2001 à 2011, l’accélérateur est entré en collision des protons avec des antiprotons des trillions de fois, produisant des millions de bosons W et enregistrant autant de données que possible de chaque collision.

L’équipe du Fermilab a publié les premiers résultats en utilisant une fraction des données en 2012. Nous avons trouvé que la masse était légèrement différente, mais proche de la prédiction. L’équipe a ensuite passé une décennie à analyser minutieusement l’ensemble des données. Le processus comprenait de nombreuses vérifications croisées internes et des années de simulations informatiques nécessaires. Pour éviter que tout biais ne se glisse dans l’analyse, personne ne pouvait voir les résultats tant que le calcul complet n’était pas terminé.

Lorsque le monde de la physique a finalement vu le résultat le 7 avril 2022, nous avons tous été surpris. Les physiciens mesurent les masses des particules élémentaires en millions d’électrons-volts – abrégés en MeV. La masse du boson W s’est avérée être de 80 433 MeV – 70 MeV supérieure à ce que le modèle standard prédit. Cela peut sembler un petit excès, mais la mesure est précise à 9 MeV près. Il s’agit d’un écart de près de huit fois la marge d’erreur. Lorsque mes collègues et moi avons vu le résultat, notre réaction a été un « wow ! » retentissant.

Ce que cela signifie pour le modèle standard

Le fait que la masse mesurée du boson W ne corresponde pas à la masse prédite dans le modèle standard pourrait signifier trois choses. Soit les calculs sont erronés, soit la mesure est erronée, soit il manque quelque chose dans le modèle standard.

Tout d’abord, les mathématiques. Pour calculer la masse du boson W, les physiciens utilisent la masse du boson de Higgs. Les expériences du CERN ont permis aux physiciens de mesurer la masse du boson de Higgs au quart de pour cent près. De plus, les physiciens théoriciens travaillent sur les calculs de masse du boson W depuis des décennies. Bien que les calculs soient sophistiqués, la prédiction est solide et peu susceptible de changer.

La possibilité suivante est une faille dans l’expérience ou l’analyse. Des physiciens du monde entier examinent déjà le résultat pour tenter de le percer. De plus, de futures expériences au CERN pourraient éventuellement aboutir à un résultat plus précis qui confirmera ou réfutera la masse du Fermilab. Mais à mon avis, l’expérience est la meilleure mesure possible actuellement.

Cela laisse la dernière option : il y a des particules ou des forces inexpliquées qui provoquent le déplacement vers le haut de la masse du boson W. Avant même cette mesure, certains théoriciens avaient proposé de nouvelles particules ou forces potentielles qui entraîneraient la déviation observée. Dans les mois et les années à venir, je m’attends à une série de nouveaux articles cherchant à expliquer la masse déroutante des bosons W.

En tant que physicien des particules, je suis sûr de dire qu’il doit y avoir plus de physique à découvrir au-delà du modèle standard. Si ce nouveau résultat se maintient, ce sera le dernier d’une série de découvertes montrant que le modèle standard et les mesures du monde réel ne correspondent souvent pas tout à fait. Ce sont ces mystères qui donnent aux physiciens de nouveaux indices et de nouvelles raisons de continuer à chercher une compréhension plus complète de la matière, de l’énergie, de l’espace et du temps.

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