Les physiciens de la Collaboration Collider Detector at Fermilab (CDF) ont déterminé la masse du boson W, un médiateur de la force faible entre les particules élémentaires, avec une précision de 0,01% – deux fois plus précise que la meilleure mesure précédente. La nouvelle valeur montre une tension avec la valeur que les scientifiques obtiennent en utilisant des données expérimentales et théoriques dans le contexte du modèle standard de la physique des particules élémentaires.
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. Crédit image : Fermilab.
L’observation du boson de Higgs au Grand collisionneur de hadrons du CERN a validé la dernière pièce manquante du modèle standard.
Ce modèle, qui intègre la mécanique quantique, la relativité restreinte, la symétrie de jauge et la théorie des groupes, décrit actuellement la plupart des mesures de la physique des particules avec une grande précision.
Il postule un certain nombre de symétries établies expérimentalement parmi les propriétés des particules, qui contraignent étroitement les paramètres du modèle à partir des données expérimentales.
Étant donné la précision expérimentale actuelle et le pouvoir prédictif du modèle standard, les ajustements globaux du modèle aux données permettent d’obtenir des estimations précises des paramètres fondamentaux, tels que la masse du boson W.
En tant qu’un des médiateurs de la force nucléaire faible, cette particule est un élément clé du cadre du modèle standard.
“Le nombre d’améliorations et de vérifications supplémentaires qui ont été apportées à notre résultat est énorme”, a déclaré le Dr Ashutosh Kotwal, physicien à l’Université Duke et membre 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 d’étendre le modèle.”
Les physiciens du CDF ont travaillé à obtenir des mesures de plus en plus précises de la masse du boson W pendant plus de 20 ans.
La valeur centrale et l’incertitude de leur dernière mesure de masse est de 80 433,5 ± 9,4 MeV/c.2.
Ce résultat utilise l’ensemble complet des données recueillies par le détecteur CDF II au Tevatron de Fermilab. Il est basé sur l’observation de 4,2 millions de candidats bosons W, soit environ quatre fois le nombre utilisé dans l’analyse que la collaboration a publiée en 2012.
“De nombreuses expériences de collisionneurs ont produit des mesures de la masse du boson W au cours des 40 dernières années”, a déclaré le Dr Giorgio Chiarelli, physicien à l’Institut national italien de physique nucléaire et co-porte-parole de la collaboration CDF.
“Ce sont des mesures difficiles et compliquées, et elles ont atteint une précision toujours plus grande”.
“Il nous a fallu de nombreuses années pour régler tous les détails et les vérifications nécessaires.”
“C’est notre mesure la plus robuste à ce jour, et l’écart entre les valeurs mesurées et attendues persiste.”
Les chercheurs du CDF ont également comparé leur résultat à la meilleure valeur attendue pour la masse du boson W en utilisant le modèle standard, qui est de 80,357 ± 6 MeV/c.2.
Cette valeur est basée sur des calculs complexes du Modèle standard qui lient étroitement la masse du boson W aux mesures des masses de deux autres particules : le quark top et le boson de Higgs.
“C’est maintenant à la communauté de la physique théorique et à d’autres expériences de suivre cette piste et de faire la lumière sur ce mystère”, a déclaré le Dr David Toback, physicien à l’université Texas A&M et co-porte-parole de la collaboration CDF.
“Ce résultat est une contribution importante pour tester l’exactitude du modèle standard”.
“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.”
Les résultats sont publiés dans le journal Science.
