Des physiciens de la collaboration ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) au Grand collisionneur de hadrons du CERN ont observé la production de bosons W, particules élémentaires porteuses de la force faible, à partir de photons entrant en collision avec des photons. Ce nouveau résultat confirme l’une des principales prédictions de la théorie électrofaible – à savoir que les porteurs de force peuvent interagir avec eux-mêmes – et fournit de nouveaux moyens de la sonder.
Un affichage d’événement ATLAS 2018 cohérent avec la production d’une paire de bosons W à partir de deux photons, où les bosons W se désintègrent en un muon et un électron (visibles dans le détecteur) et des neutrinos (non détectés). Le trajet du muon (ligne rouge) et celui de l’électron (ligne jaune) sont représentés. L’électron dépose son énergie dans le calorimètre électromagnétique (blocs jaunes). Les nombreuses particules reconstruites dans le détecteur interne sont représentées en orange. Le coin supérieur gauche montre que ces particules ne proviennent pas de la même interaction et sont donc attribuées à des interactions supplémentaires proton-proton. Crédit image : Collaboration ATLAS / CERN.
Dans la vie quotidienne, deux faisceaux lumineux qui se croisent suivent les règles de l’électrodynamique classique et ne se dévient pas, ne s’absorbent pas et ne se perturbent pas mutuellement.
Cependant, aux hautes énergies observées dans les collisions au Grand collisionneur de hadrons (LHC), les effets de l’électrodynamique quantique deviennent importants.
Pendant un court instant, les photons rayonnés par les faisceaux de protons entrants peuvent se disperser et se transformer en une paire particule-antiparticule qui apparaît sous forme d’interactions lumière par lumière dans le détecteur. Ce processus a été observé pour la première fois par la collaboration ATLAS en 2019.
En effet, le modèle standard décrit l’électrodynamique quantique dans le cadre de la théorie électrofaible, qui prédit non seulement que les particules porteuses de force – les bosons W, le boson Z et le photon – interagissent avec la matière ordinaire, mais aussi entre elles.
Le processus nouvellement observé procède par un type de phénomène très rare où deux photons entrent en collision pour produire directement deux bosons W de charge électrique opposée via une interaction à quatre porteurs de force, entre autres.
Le processus se produit lorsque des paquets de protons à haute énergie se frôlent dans des ‘collisions ultra-périphériques’, si seuls leurs champs électromagnétiques environnants interagissent.
Les photons quasi-réels de ces champs se diffusent l’un l’autre pour produire une paire de bosons W et laissent une signature distincte dans l’expérience ATLAS.
Comme les protons écrémés restent intacts, les seules particules détectables produites lors de l’interaction sont les produits de désintégration visibles des bosons W – à savoir, pour cette mesure, un électron et un muon de charge électrique opposée.
Les physiciens d’ATLAS ont trouvé un total de 307 événements candidats dans les données enregistrées par l’expérience entre 2015 et 2018, dont 174 ont été attribués à la production photon-photon de paires de bosons W et les autres événements à divers processus de fond.
Un tel rendement correspond à une signification statistique de 8,4 écarts-types, ce qui est bien supérieur au critère établi de 5 écarts-types pour l’observation sans ambiguïté d’un processus.
“Cette observation ouvre une nouvelle facette de l’exploration expérimentale au LHC en utilisant des photons à l’état initial”, a déclaré le Dr Karl Jakobs, porte-parole de la collaboration ATLAS.
“Elle est unique car elle ne concerne que les couplages entre porteurs de force électrofaible dans l’environnement dominé par les interactions fortes du LHC.”
“Avec de plus grands ensembles de données futures, il peut être utilisé pour sonder de manière propre la structure de jauge électrofaible et les contributions possibles de la nouvelle physique.”
