Boson W : une surprenante découverte menace de bouleverser le modèle standard de la physique des particules
Après une décennie d’analyse, une collaboration de physiciens a réalisé la mesure la plus précise de la masse d’une particule importante, et cela pourrait bouleverser la physique telle que nous la connaissons. La nouvelle mesure diffère radicalement des prédictions basées sur le modèle standard, laissant entrevoir une nouvelle physique.
Image d’entête : le détecteur de collision du Fermilab (CDF), dont les données ont permis aux physiciens d’effectuer la mesure la plus précise de la masse du boson W. (Fermilab)
Depuis son élaboration dans les années 1970, le modèle standard de la physique des particules a permis d’expliquer de manière très efficace les interactions entre les particules et la plupart des forces fondamentales. Il ne couvre pas tout, les principaux éléments manquants sont la matière noire et même la gravité, mais ce qu’il couvre, il le couvre très bien, résistant systématiquement aux expériences qui testent ses prédictions.
Mais aujourd’hui, une particule bien étudiée pourrait menacer de faire un trou dans ce modèle bien ordonné. La masse des particules peut être calculée grâce à leurs relations avec d’autres particules dans le modèle standard, et cette masse prédite peut ensuite être comparée aux mesures réelles effectuées dans les collisionneurs de particules, afin de tester la cohérence interne du modèle standard. Ce processus a maintenant conduit à une divergence majeure, grâce à une particule anodine appelée boson W. Ce sont des particules élémentaires qui ne peuvent pas être mesurées.
Les bosons W sont des particules élémentaires qui véhiculent la force électrofaible et servent de médiateurs dans les processus nucléaires, comme ceux qui se déroulent dans le Soleil. Selon le modèle standard, leur masse est liée à celle du boson de Higgs et d’une particule subatomique appelée quark top. Dans une nouvelle étude, près de 400 scientifiques de la collaboration Collider Detector at Fermilab (CDF) ont passé une décennie à examiner 4,2 millions de bosons W candidats collectés à partir de 26 années de données au collisionneur Tevatron. À partir de ce trésor, l’équipe a pu calculer la masse du boson W à 0,01 % près, ce qui est deux fois plus précis que la meilleure mesure précédente.
Le boson W est la particule messagère de la force nucléaire faible. Il est responsable des processus nucléaires qui font briller le soleil et de la désintégration des particules. Les scientifiques étudient les propriétés du boson W à l’aide des données qu’ils ont recueillies au collisionneur Tevatron au Fermilab. (Fermilab)
D’après leurs calculs, le boson W a une masse de 80 433,5 méga-électronvolts (MeV), avec une incertitude de seulement 9,4 MeV de part et d’autre. Cette valeur se situe dans la fourchette de certaines mesures antérieures, mais elle est bien en dehors de celle prévue par le modèle standard, qui la situe à 80 357 MeV, à 6 MeV près. Cela signifie que la nouvelle valeur est décalée d’un énorme sept écarts types.
Pour cimenter davantage cette anomalie, la masse du boson W a également été récemment mesurée à l’aide des données du Grand collisionneur de hadrons, dans une étude publiée en janvier. Cette équipe est parvenue à une valeur de 80 354 MeV (+/- 32 MeV), ce qui est confortablement proche de celle donnée par le modèle standard.
Que se passe-t-il donc ? Certains physiciens non impliqués dans l’étude sont plus à l’aise avec le modèle standard, ce qui est compréhensible.
Selon le physicien expérimental Martin Grünewald, de l’University College Dublin (Irlande) :
Toutes ces mesures prétendent mesurer la même valeur. Quelqu’un doit avoir, je ne dirai pas tort, mais peut-être fait une erreur ou poussé l’évaluation des erreurs de manière trop agressive.
Mais les scientifiques de la nouvelle analyse du CDF affirment que les procédures qu’ils ont utilisées pour parvenir à leur chiffre ont été correctement examinées pendant de nombreuses années. En fait, la valeur mesurée finale était cachée aux analyseurs jusqu’à ce que ces contrôles de qualité soient terminés.
Selon Ashutosh Kotwal, auteur principal de l’analyse CDF :
Le nombre d’améliorations et de vérifications supplémentaires qui ont permis d’obtenir notre résultat est énorme. Nous avons pris en compte l’amélioration de notre compréhension de notre détecteur de particules ainsi que les avancées dans la compréhension théorique et expérimentale des interactions du boson W avec d’autres particules. Lorsque nous avons finalement dévoilé le résultat, nous avons constaté qu’il différait de la prédiction du modèle standard.
Si ce nouveau chiffre est vérifié, il pourrait faire allusion à des particules inconnues ou à une nouvelle physique au-delà du modèle standard, qui interfèrent avec les interactions attendues. Après tout, nous savons déjà que ce cadre est incomplet, et des investigations supplémentaires pourraient aider à percer le mystère.
Selon David Toback, porte-parole du CDF :
C’est maintenant à la communauté de la physique théorique et à d’autres expériences de donner suite et de faire la lumière sur ce mystère. Si la différence entre la valeur expérimentale et la valeur attendue est due à une sorte de nouvelle particule ou d’interaction subatomique, ce qui est l’une des possibilités, il y a de bonnes chances que ce soit quelque chose qui puisse être découvert dans de futures expériences.
L’étude publiée dans Science : High-precision measurement of the W boson mass with the CDF II detector et présentée sur le site du Fermilab : CDF collaboration at Fermilab announces most precise ever measurement of W boson mass to be in tension with the Standard Model.
