La mesure la plus précise jamais réalisée de la masse du boson W montre des tensions avec le modèle standard.
Après 10 ans d’analyse et d’examen minutieux, les scientifiques de la collaboration CDF au Fermi National Accelerator Laboratory du ministère américain de l’énergie ont annoncé le 7 avril 2022 qu’ils avaient obtenu la mesure la plus précise à ce jour de la masse du boson W, l’une des particules porteuses de force de la nature. À l’aide des données recueillies par le détecteur de collision du Fermilab, ou CDF, les scientifiques ont maintenant déterminé la masse de la particule avec une précision de 0,01 % – deux fois plus précise que la meilleure mesure précédente. Cela correspond à mesurer le poids d’un gorille de 800 livres à 1,5 once.
La nouvelle mesure de précision, publiée dans le journal Sciencepermet aux scientifiques de tester le modèle standard de la physique des particules, le cadre théorique qui décrit la nature à son niveau le plus fondamental. Le résultat : La nouvelle valeur de masse montre une tension avec la valeur que les scientifiques obtiennent en utilisant des données expérimentales et théoriques dans le contexte du modèle standard.
Le Collider Detector du Fermilab a enregistré les collisions de particules à haute énergie produites par le collisionneur Tevatron de 1985 à 2011. Environ 400 scientifiques de 54 institutions dans 23 pays travaillent encore sur les nombreuses données recueillies par l’expérience. Crédit : Fermilab
“Le nombre d’améliorations et de vérifications supplémentaires qui ont été apportées à notre résultat est énorme”, a déclaré Ashutosh V. Kotwal de l’Université Duke, qui a dirigé cette analyse et qui est l’un des 400 scientifiques de la collaboration CDF. “Nous avons pris en compte notre meilleure 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 elle est confirmée, cette mesure suggère la nécessité potentielle d’améliorer le calcul du modèle standard ou de l’étendre.
Les scientifiques ont maintenant déterminé la masse du boson W avec une précision de 0,01%. Ce résultat est deux fois plus précis que la meilleure mesure précédente et montre une tension avec le Modèle Standard.
La nouvelle valeur est en accord avec de nombreuses mesures précédentes de la masse du boson W, mais il y a aussi quelques désaccords. De futures mesures seront nécessaires pour éclairer davantage ce résultat.
“Bien qu’il s’agisse d’un résultat intriguant, la mesure doit être confirmée par une autre expérience avant de pouvoir être interprétée pleinement”, a déclaré le directeur adjoint de Fermilab, Joe Lykken.
Le boson W est une particule messagère de la force nucléaire faible. Il est responsable des processus nucléaires qui font briller le soleil et de la désintégration des particules. En utilisant les collisions de particules à haute énergie produites par le collisionneur Tevatron à Fermilab, la collaboration CDF a collecté d’énormes quantités de données contenant des bosons W de 1985 à 2011.
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 du CDF étudient les propriétés du boson W à l’aide des données qu’ils ont recueillies au collisionneur Tevatron à Fermilab. Crédit : Fermi National Accelerator Laboratory
Le physicien CDF Chris Hays du University of Oxford said, “The CDF measurement was performed over the course of many years, with the measured value hidden from the analyzers until the procedures were fully scrutinized. When we uncovered the value, it was a surprise.”
The mass of a W boson is about 80 times the mass of a proton, or approximately 80,000 MeV/c2. CDF researchers have worked on achieving increasingly more precise measurements of the W boson mass for more than 20 years. The central value and uncertainty of their latest mass measurement is 80,433 +/- 9 MeV/c2. This result uses the entire dataset collected from the Tevatron collider at Fermilab. It is based on the observation of 4.2 million W boson candidates, about four times the number used in the analysis the collaboration published in 2012.
The mass of a W boson is about 80 times the mass of a proton, or approximately 80,000 MeV/c2. Scientists of the Collider Detector at Fermilab collaboration have achieved the world’s most precise measurement. The CDF value has a precision of 0.01 percent and is in agreement with many W boson mass measurements. It shows tension with the value expected based on the Standard Model of particle physics. The horizontal bars indicate the uncertainty of the measurements achieved by various experiments. The LHCb result was published after this paper was submitted and is 80354+- 32 MeV/c2. Credit: CDF collaboration
“Many collider experiments have produced measurements of the W boson mass over the last 40 years,” said CDF co-spokesperson Giorgio Chiarelli, Italian National Institute for Nuclear Physics (INFN-Pisa). “These are challenging, complicated measurements, and they have achieved ever more precision. It took us many years to go through all the details and the needed checks. It is our most robust measurement to date, and the discrepancy between the measured and expected values persists.”
The collaboration also compared their result to the best value expected for the W boson mass using the Standard Model, which is 80,357 ± 6 MeV/c2. This value is based on complex Standard Model calculations that intricately link the mass of the W boson to the measurements of the masses of two other particles: the top quark, discovered at the Tevatron collider at Fermilab in 1995, and the Higgs boson, discovered at the Large Hadron Collider at CERN in 2012.
CDF co-spokesperson David Toback, Texas A&M University, stated the result is an important contribution to testing the accuracy of the Standard Model. “It’s now up to the theoretical physics community and other experiments to follow up on this and shed light on this mystery,” he added. “If the difference between the experimental and expected value is due to some kind of new particle or subatomic interaction, which is one of the possibilities, there’s a good chance it’s something that could be discovered in future experiments.”
Reference: “High-precision measurement of the W boson mass with the CDF II detector” by CDF Collaboration, T. Aaltonen, S. Amerio, D. Amidei, A. Anastassov, A. Annovi, J. Antos, G. Apollinari, J. A. Appel, T. Arisawa, A. Artikov, J. Asaadi, W. Ashmanskas, B. Auerbach, A. Aurisano, F. Azfar, W. Badgett, T. Bae, A. Barbaro-Galtieri, V. E. Barnes, B. A. Barnett, P. Barria, P. Bartos, M. Bauce, F. Bedeschi, S. Behari, G. Bellettini, J. Bellinger, D. Benjamin, A. Beretvas, A. Bhatti, K. R. Bland, B. Blumenfeld, A. Bocci, A. Bodek, D. Bortoletto, J. Boudreau, A. Boveia, L. Brigliadori, C. Bromberg, E. Brucken, J. Budagov, H. S. Budd, K. Burkett, G. Busetto, P. Bussey, P. Butti, A. Buzatu, A. Calamba, S. Camarda, M. Campanelli, B. Carls, D. Carlsmith, R. Carosi, S. Carrillo, B. Casal, M. Casarsa, A. Castro, P. Catastini, D. Cauz, V. Cavaliere, A. Cerri, L. Cerrito, Y. C. Chen, M. Chertok, G. Chiarelli, G. Chlachidze, K. Cho, D. Chokheli, A. Clark, C. Clarke, M. E. Convery, J. Conway, M. Corbo, M. Cordelli, C. A. Cox, D. J. Cox, M. Cremonesi, D. Cruz, J. Cuevas, R. Culbertson, N. d’Ascenzo, M. Datta, P. de Barbaro, L. Demortier, M. Deninno, M. D’Errico, F. Devoto, A. Di Canto, B. Di Ruzza, J. R. Dittmann, S. Donati, M. D’Onofrio, M. Dorigo, A. Driutti, K. Ebina, R. Edgar, A. Elagin, R. Erbacher, S. Errede, B. Esham, S. Farrington, J. P. Fernández Ramos, R. Field, G. Flanagan, R. Forrest, M. Franklin, J. C. Freeman, H. Frisch, Y. Funakoshi, C. Galloni, A. F. Garfinkel, P. Garosi, H. Gerberich, E. Gerchtein, S. Giagu, V. Giakoumopoulou, K. Gibson, C. M. Ginsburg, N. Giokaris, P. Giromini, V. Glagolev, D. Glenzinski, M. Gold, D. Goldin, A. Golossanov, G. Gomez, G. Gomez-Ceballos, M. Goncharov, O. González López, I. Gorelov, A. T. Goshaw, K. Goulianos, E. Gramellini, C. Grosso-Pilcher, J. Guimaraes da Costa, S. R. Hahn, J. Y. Han, F. Happacher, K. Hara, M. Hare, R. F. Harr, T. Harrington-Taber, K. Hatakeyama, C. Hays, J. Heinrich, M. Herndon, A. Hocker, Z. Hong, W. Hopkins, S. Hou, R. E. Hughes, U. Husemann, M. Hussein, J. Huston, G. Introzzi, M. Iori, A. Ivanov, E. James, D. Jang, B. Jayatilaka, E. J. Jeon, S. Jindariani, M. Jones … P. Wagner, R. Wallny, S. M. Wang, D. Waters, W. C. Wester, D. Whiteson, A. B. Wicklund, S. Wilbur, H. H. Williams, J. S. Wilson, P. Wilson, B. L. Winer, P. Wittich, S. Wolbers, H. Wolfmeister, T. Wright, X. Wu, Z. Wu, K. Yamamoto, D. Yamato, T. Yang, U. K. Yang, Y. C. Yang, W.-M. Yao, G. P. Yeh, K. Yi, J. Yoh, K. Yorita, T. Yoshida, G. B. Yu, I. Yu, A. M. Zanetti, Y. Zeng, C. Zhou and S. Zucchelli, 7 April 2022, Science.
DOI: 10.1126/science.abk1781
The CDF collaboration comprises 400 scientists at 54 institutions in 23 countries.
