Une décennie de science et des billions de collisions montrent que le boson W est plus massif que prévu – Un physicien explique ce que cela signifie.

Concept de physique quantique de l'atome et des particules

Mesurer la masse des bosons W a pris 10 ans – et le résultat n’est pas celui que les physiciens attendaient.

“Vous pouvez le faire rapidement, vous pouvez le faire à moindre coût, ou vous pouvez le faire correctement. Nous l’avons fait correctement.” Ce sont quelques-unes des remarques préliminaires de David Toback lorsque le chef du détecteur de collision de Fermilab a dévoilé les résultats d’une expérience de dix ans visant à… mesurer la masse d’une particule connue sous le nom de boson W..

Je suis un physicien des particules à haute énergieJe fais partie de l’équipe de centaines de scientifiques qui ont construit et exploité le détecteur de collision au Fermilab, dans l’Illinois, connu sous le nom de CDF.

Après des billions de collisions et des années de collecte de données et de traitement des chiffres, l’équipe du CDF a découvert que le boson W a… légèrement plus de masse que prévu. Bien que l’écart soit minime, les résultats, décrits dans un article publié dans le journal Science le 7 avril 2022, ont électrifié le monde de la physique des particules. Si la mesure est effectivement correcte, il s’agit d’un autre signal fort indiquant qu’il existe des pièces manquantes dans le puzzle physique du fonctionnement de l’univers.

Modèle standard des particules élémentaires Graphique

Le modèle standard de la physique des particules décrit les particules qui constituent la masse et les forces de l’univers. MissMJ/WikimediaCommons Le modèle standard de la physique des particules décrit les particules qui constituent la masse et les forces de l’univers. Crédit : MissMJ/WikimediaCommons

Une particule porteuse de la force faible

Le modèle standard de la physique des particules est le meilleur cadre actuel de la science pour les lois fondamentales de l’univers et de la Terre. décrit trois forces fondamentalesla force électromagnétique, la force faible et la force forte.

Les noyaux atomiques sont maintenus ensemble par la force forte. Cependant, certains noyaux sont instables et subissent une désintégration radioactive, libérant lentement de l’énergie par émission de particules. Les scientifiques essaient de comprendre pourquoi et comment les atomes se désintègrent depuis le début des années 1900.

Selon le modèle standard, les forces sont transmises par des particules. Dans les années 1960, une série de percées théoriques et expérimentales ont proposé que la force faible soit transmise par des particules appelées bosons W et Z. Il a également été postulé qu’une troisième particule, le boson de Higgs, est ce qui donne à toutes les autres particules – y compris les bosons W et Z – une masse.

Depuis l’avènement du modèle standard dans les années 1960, les scientifiques ont parcouru la liste des particules prédites mais non encore découvertes et ont mesuré leurs propriétés. En 1983, deux expériences à CERN à Genève, en Suisse, a obtenu la première preuve de l’existence du boson W.. Il semblait avoir la masse d’un objet de taille moyenne. atome comme le brome.

Dans les années 2000, il ne manquait plus qu’une seule pièce pour compléter le modèle standard et tout relier : le boson de Higgs. J’ai participé à la recherche du boson de Higgs dans le cadre de trois expériences successives, et nous avons enfin trouvé le boson de Higgs. l’avons découvert en 2012 au Grand collisionneur de hadrons au CERN.

Le modèle standard était complet, et toutes les mesures que nous avons effectuées s’accordaient parfaitement avec les prédictions.

Détecteur de collision au Fermilab

Le détecteur de collision du Fermilab a recueilli les données de billions de collisions qui ont produit des millions de bosons W. Crédit : Bodhita/WikimediaCommons, CC BY-SA

Mesurer les bosons W

Il est très amusant de faire entrer en collision des particules à des énergies très élevées pour tester le modèle standard. Ces collisions produisent des particules plus lourdes pendant une brève période de temps avant de se désintégrer en particules plus légères. Pour analyser les propriétés et les interactions des particules créées lors de ces collisions, les physiciens utilisent des détecteurs massifs et extrêmement sensibles dans des installations telles que le Fermilab et le CERN.

Dans le CDF, les bosons W sont produits autour de une fois sur 10 millions lorsqu’un proton et un antiproton entrent en collision. Les antiprotons sont la version antimatière des protons, avec exactement la même masse mais une charge opposée. Les protons sont constitués de particules fondamentales plus petites appelées quarks, et les antiprotons sont constitués d’antiquarks. La collision entre les quarks et les antiquarks est à l’origine de la création des antiprotons. créent les bosons W. Les bosons W se désintègrent si rapidement qu’il est impossible de les mesurer directement. Ainsi, les physicienssuivre l’énergie produite par leur désintégration pour mesurer la masse des bosons W.

Au cours des 40 années qui se sont écoulées depuis que les scientifiques ont détecté pour la première fois des preuves de la présence du boson W, des expériences successives ont permis de mesurer sa masse de manière toujours plus précise. Mais ce n’est que depuis la mesure du boson de Higgs – puisqu’il donne une masse à toutes les autres particules – que les chercheurs ont pu vérifier la masse mesurée des bosons W par rapport aux masse prédite par le modèle standard. La prédiction et les expériences ont toujours correspondu – jusqu’à présent.

Nouvelle mesure du boson W

La nouvelle mesure du boson W (cercle rouge) est beaucoup plus éloignée de la masse prédite par le modèle standard (ligne violette) et également plus grande que la mesure préliminaire de l’expérience. Crédit : Collaboration CDF via Science Magazine, CC BY

Un poids inattendu

Le détecteur CDF de Fermilab est excellent pour mesurer avec précision les bosons W. Entre 2001 et 2011, l’accélérateur a écrasé des protons et des antiprotons des billions de fois, créant des millions de bosons W et recueillant le plus de données possible à chaque collision.

En 2012, l’équipe du Fermilab a rapporté résultats préliminaires basés sur un sous-ensemble de données. On a découvert que la masse était quelque peu décalée, mais proche de la prédiction. Les chercheurs ont ensuite laborieusement analysé l’ensemble des données pendant une décennie. De nombreuses vérifications croisées internes ont été effectuées, ainsi que des années de simulations informatiques. Personne ne pouvait voir les résultats avant la fin de l’ensemble des calculs, afin d’éviter que des biais ne se glissent dans l’analyse.

Lorsque le monde de la physique a enfin vu le résultat le 7 avril 2022, nous avons tous été surpris. Les physiciens mesurent la masse des particules élémentaires en millions d’électron-volts (MeV). La masse du boson W s’est avérée être de 80,433 MeV. – 70 MeV de plus que ce que le modèle standard prévoit. Cela peut sembler un excès minuscule, mais la mesure est précise à 9 MeV près. Cela représente un écart de près de huit fois la marge d’erreur. Lorsque mes collègues et moi avons vu le résultat, notre réaction a été un retentissant “wow !”.

Concept de comparaison des balances

Le fait que la masse mesurée du boson W diffère de la masse anticipée dans le modèle standard pourrait indiquer l’une des trois choses suivantes. Soit les mathématiques sont incorrectes, soit la mesure est incorrecte, soit il manque quelque chose dans le modèle standard.

Ce que cela signifie pour le Modèle Standard

Le fait que la masse mesurée du boson W ne correspond pas à la masse prédite dans le Modèle Standard peut signifier trois choses. Soit les mathématiques sont fausses, soit la mesure est fausse, soit il manque quelque chose dans le Modèle Standard.

Tout d’abord, les mathématiques. Pour calculer la masse du boson W, les physiciens utilisent la masse du boson de Higgs. Les expériences du CERN ont permis aux physiciens de mesurer la masse du boson de Higgs à un quart de pourcent près. En outre, les physiciens théoriques ont été travaillent sur les calculs de la masse du boson W depuis des décennies.. Bien que les calculs soient sophistiqués, la prédiction est solide et peu susceptible de changer.

La prochaine possibilité est un défaut dans l’expérience ou l’analyse. Les physiciens du monde entier sont déjà en train d’examiner les résultats pour tenter de les percer. En outre, de futures expériences au CERN pourraient éventuellement aboutir à un résultat plus précis qui confirmerait ou réfuterait la masse de Fermilab. Mais à mon avis, cette expérience constitue la meilleure mesure possible à l’heure actuelle.

Il reste donc la dernière option : Il y a des particules ou des forces inexpliquées qui causent le décalage vers le haut de la masse du boson W. Même avant cette mesure, certains théoriciens avaient…ont proposé de nouvelles particules ou forces potentielles qui entraîneraient la déviation observée. Dans les mois et les années à venir, je m’attends à une série de nouveaux articles cherchant à expliquer la masse déconcertante des bosons W.

En tant que physicien des particules, je suis sûr de pouvoir affirmer que d’autres phénomènes physiques attendent d’être découverts au-delà du modèle standard. Si ce nouveau résultat se confirme, il sera le dernier d’une série de découvertes montrant que le modèle standard et les mesures du monde réel sont souvent incompatibles. ne correspondent pas tout à fait. Ce sont ces mystères qui donnent aux physiciens de nouveaux indices et de nouvelles raisons de continuer à chercher à mieux comprendre la matière, l’énergie, l’espace et le temps.

Écrit par John Conway, professeur de physique, Université de Californie, Davis.

Cet article a été publié pour la première fois dans The Conversation.La Conversation

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