Une collaboration internationale de physiciens menant des expériences au Thomas Jefferson National Accelerator Facility a déterminé pour la première fois la charge faible du proton. Les résultats comprennent également la détermination de la charge faible du neutron, ainsi que du quark up et du quark down.
Le proton est une particule subatomique présente dans le noyau de chaque atome. Cette impression d’artiste montre un proton et un neutron. Crédit photo : Joanna Griffin / Jefferson Lab / Penn State.
La force faible est l’une des quatre forces fondamentales de notre Univers, avec la gravité, l’électromagnétisme et la force forte.
Bien que la force faible n’agisse qu’au niveau subatomique, nous pouvons observer ses effets dans notre monde quotidien. Elle joue un rôle clé dans les processus de réaction nucléaire qui ont lieu dans les étoiles et est responsable d’une grande partie du rayonnement naturel présent dans notre Univers.
L’auteur principal, le professeur Darko Androic de l’Université de Zagreb, en Croatie, et ses collègues ont proposé la première mesure directe de la charge faible du proton, désignée par le symbole Qpw – représente la force d’attraction de la force faible sur le proton, une mesure de la force d’interaction du proton via la force faible.
Puisque la charge faible du proton est précisément prédite par le modèle standard, qui est un cadre théorique bien testé décrivant les particules élémentaires et les détails de leur interaction, c’est un paramètre idéal à mesurer expérimentalement pour tester le modèle standard.
Pour réaliser l’expérience, l’équipe a dirigé un faisceau très intense d’électrons dans un récipient d’hydrogène liquide. Les électrons étaient polarisés longitudinalement, c’est-à-dire qu’ils tournaient dans la direction de leur mouvement ou dans la direction opposée. Les électrons qui n’effectuaient que des collisions superficielles avec les protons (diffusion élastique, où le proton reste intact) émergeaient à de petits angles et étaient déviés par de puissants électroaimants vers huit détecteurs placés symétriquement.
La force faible est beaucoup plus faible que la force électromagnétique. En termes classiques, on pourrait dire que pour un million d’électrons qui interagissent avec les protons via la force électromagnétique, un seul interagira via la force faible.
Le schéma de la conception de l’expérience de base montre la cible, la collimation, les bobines d’aimant, les trajectoires des électrons et les détecteurs. Crédit image : Darko Androic et al.
Les physiciens ont mesuré ces quelques interactions faibles en exploitant une différence importante entre les deux forces : la force faible viole une symétrie appelée parité, qui inverse toutes les directions spatiales et transforme notre monde droitier en un monde gaucher. Dans un monde de parité opposée, les électrons tournant avec leurs axes dans leur direction de mouvement interagiraient avec les protons via la force électromagnétique avec la même force. En ce qui concerne la force faible, les électrons dont le spin est à droite interagissent différemment de ceux dont le spin est à gauche.
En gardant tous les autres paramètres de l’expérience identiques et en inversant uniquement la direction de polarisation du faisceau d’électrons, les scientifiques peuvent utiliser la différence ou l’asymétrie des mesures entre deux directions de polarisation pour isoler l’effet de l’interaction faible.
L’objectif est de mesurer cette différence, de seulement 200 parties par milliard, aussi précisément que possible. Cette précision équivaut à la mesure de l’épaisseur d’une feuille de papier posée au sommet de la Tour Eiffel.
L’analyse initiale des données expérimentales a donné une valeur pour Qpw = 0,064 ± 0,012 qui est en bon accord avec la prédiction du Modèle Standard, Qpw (SM) = 0,0710 ± 0,0007.
“Les lecteurs doivent considérer ce résultat avant tout comme une première détermination de la charge faible du proton. Notre publication finale se concentrera sur les implications en ce qui concerne la nouvelle physique potentielle”, a déclaré le Dr Roger Carlini, un scientifique du Jefferson Lab, qui est co-auteur d’un article accepté pour publication dans le journal “The Gazette”. Physical Review Letters (arXiv.org).
