La nouvelle valeur de la masse du boson W atténue les indices de physique de 2022 au-delà du modèle standard – Ars Technica

On dit souvent en science que des affirmations extraordinaires nécessitent des preuves extraordinaires. Des mesures récentes de la masse de la particule élémentaire connue sous le nom de boson W fournissent une étude de cas utile pour expliquer pourquoi. L’année dernière, les physiciens du Laboratoire Fermi ont fait sensation en ont rapporté une mesure de masse du boson W qui s’écartait assez sensiblement des prédictions théoriques de la soi-disant Modèle standard de physique des particules– un soupçon alléchant de nouvelle physique. D’autres ont conseillé la prudence, car la mesure contredisait les mesures précédentes.

Cette prudence semble justifiée. La collaboration ATLAS au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN a annoncé une nouvelle analyse améliorée de leurs propres données sur le boson W et a découvert que la valeur mesurée de sa masse était toujours cohérente avec le modèle standard. Avertissement : C’est un résultat préliminaire. Mais cela réduit la probabilité que la mesure 2022 du Fermilab soit correcte.

“La mesure de la masse W est l’une des mesures de précision les plus difficiles effectuées sur les collisionneurs de hadrons”, a déclaré le porte-parole d’ATLAS, Andreas Hoecker. “Cela nécessite un étalonnage extrêmement précis des énergies et des impulsions mesurées des particules, ainsi qu’une évaluation minutieuse et un excellent contrôle des incertitudes de modélisation. Ce résultat mis à jour d’ATLAS fournit un test rigoureux et confirme la cohérence de notre compréhension théorique des interactions électrofaibles.”

Comme nous l’avons signalé précédemment, le modèle standard décrit les éléments de base de l’univers et la manière dont la matière a évolué. Ces blocs peuvent être divisés en deux clans de base : les fermions et les bosons. Les fermions constituent toute la matière de l’Univers et comprennent les leptons et les quarks. Les leptons sont des particules qui ne participent pas à la cohésion du noyau atomique, comme les électrons et les neutrinos. Leur travail consiste à aider la matière à se transformer par désintégration nucléaire en d’autres particules et éléments chimiques, en utilisant la force nucléaire faible. Les quarks constituent le noyau atomique.

Les bosons sont les liens qui unissent les autres particules entre elles. Les bosons passent d’une particule à l’autre, ce qui engendre des forces. Il existe quatre «bosons de jauge» liés à la force. Le gluon est associé à la force nucléaire forte : il « colle » ensemble le noyau d’un atome. Le photon porte la force électromagnétique, qui donne naissance à la lumière. Les bosons W et Z portent la force nucléaire faible et donnent lieu à différents types de désintégration nucléaire. Et puis il y a le boson de Higgs, une manifestation du champ de Higgs. Le champ de Higgs est une entité invisible qui imprègne l’Univers. Les interactions entre le champ de Higgs et les particules aident à donner de la masse aux particules, les particules qui interagissent plus fortement ayant des masses plus importantes.

Le modèle standard a résisté à des tests rigoureux après plusieurs décennies, et la découverte du boson de Higgs en 2012 a fourni la dernière pièce d’observation du puzzle. Mais cela n’a pas empêché les physiciens de rechercher obstinément une nouvelle physique au-delà de ce que prédit le modèle. En fait, nous savons que le modèle doit être incomplet car il n’intègre pas la gravité ni ne tient compte de la présence de matière noire dans l’Univers. Elle ne peut pas non plus expliquer l’accélération du taux d’expansion de l’Univers, que de nombreux physiciens attribuent à l’énergie noire.

Le boson W, qui a eu 40 ans cette année— est considéré comme un élément clé du modèle standard, et l’amélioration des mesures de sa masse aide les physiciens à continuer d’affiner et de tester le modèle standard. Nous ne pouvons pas détecter directement les bosons W, les chercheurs ont donc dû additionner la masse et l’énergie libérées lors de leur désintégration. Cela inclut l’énergie transportée par les photons, la masse et l’impulsion des particules, ainsi que les estimations de toute énergie transportée par les neutrinos rapides, qui traversent les détecteurs sans laisser de trace. Les erreurs résiduelles dans l’estimation de la masse proviennent des incertitudes sur ces différents processus.

Pour leur mesure de 2022, l’équipe CDF II du Laboratoire Fermi a passé au peigne fin 10 ans de données enregistrées, représentant environ 4 millions d’événements de bosons W candidats, et a trouvé une masse de 80,433 GeV, ± 0,094. Ce n’est pas cohérent avec les mesures précédentes de la masse du boson W, y compris celles effectuées par CDF II en 2012 (80,387 GeV, ± 0,02) et par ATLAS au CERN en 2018 (80,370 GeV, ±0,019).

Si jamais cela s’avérait correct, cette masse plus élevée serait la preuve de possibles particules non encore découvertes affectant le boson W d’une manière ou d’une autre. Les candidats les plus évidents seraient les particules exotiques prédites par théorie de la supersymétrie (SUSY), qui fait appel à des partenaires supersymétriques de toutes les particules connues existantes dans le modèle standard. Le hic, c’est qu’aucun accélérateur de particules à ce jour, y compris le LHC, n’a encore découvert la moindre trace de particules SUSY dans les données.

La mesure de 2022 était environ deux fois plus précise (117 parties par million) que la meilleure précédente, mais la possibilité qu’une erreur inconnue se glisse ne pouvait être écartée. Des mesures indépendantes supplémentaires sont nécessaires pour confirmer la découverte dans un sens ou dans l’autre, et cette dernière mesure ATLAS ajoute à toutes les preuves à l’appui des prédictions du modèle standard pour le boson W.

L’équipe ATLAS a essentiellement réanalysé son échantillon de données de bosons W de 2011 sur lequel était basé son résultat de mesure de 2018, en utilisant des techniques améliorées d’ajustement des données pour déterminer la masse qui fait un meilleur travail en tenant compte de la façon dont l’impulsion du proton est partagée entre ses quarks constitutifs et gluons. L’équipe a également effectué des analyses proton-proton dédiées pour vérifier le processus de production du boson W, réduisant ainsi l’incertitude systémique.

ATLAS s’est retrouvé avec une masse de boson W de 80360 MeV avec une incertitude de 16 MeV (mégélectron volts). C’est 10 MeV de moins que le résultat ATLAS précédent et 16 % plus précis. Ce n’est toujours pas le dernier mot sur la question. La mesure fera l’objet d’un examen rigoureux et d’autres expériences de physique continueront à effectuer leurs propres mesures améliorées. Plusieurs projets de collisionneurs électron-positon sont également à l’étude, qui pourraient être bien adaptés pour une mesure encore plus améliorée de la masse du boson W.