Une particule plus lourde que prévu pose un problème de taille à la physique des particules.

Le modèle dont nous disposons pour comprendre les particules fondamentales de l’univers est un peu comme une boîte de vitesses : un minuscule changement dans les propriétés d’une seule particule perturbe également la mécanique des autres particules.

Ainsi, lorsqu’un article révèle que la masse d’une particule fondamentale est légèrement différente de ce qui était admis jusqu’alors, cela ne se limite pas à faire sourciller le monde de la physique. Si elle s’avérait exacte, une telle découverte signifierait que la physique fondamentale est “erronée” d’une manière encore indéterminée, et elle bouleverserait la physique des particules pour les décennies à venir.

Notre compréhension des particules fondamentales, connue sous le nom de modèle standard de la physique des particules, est l’une des plus grandes réalisations humaines de ces 150 dernières années. Des milliers de physiciens et d’ingénieurs ont travaillé pendant plus d’un siècle pour rassembler toutes les pièces du puzzle, depuis la découverte de l’électron en 1897 jusqu’à la découverte du boson de Higgs, longtemps théorisée, en 2012.

Au début du mois, après 20 ans d’analyse, les scientifiques du détecteur de collision de Fermilab (CDF) ont annoncé qu’ils avaient effectué la mesure la plus précise de la masse du boson W. Après des millions d’essais et d’observations, ils ont réussi à déterminer la masse du boson de Higgs. Après des millions d’essais et d’observations, leur mesure de la masse s’est révélée être de 1,43385738 × 10^-22 grammes. (Cela semble léger, mais c’est plus lourd que ça ne devrait l’être).

La précision de la mesure de l’une des particules porteuses de force de la nature est remarquable : les scientifiques affirment que la masse révisée de la particule a une précision de 0,01 %, soit deux fois plus que la meilleure mesure précédente. Les résultats ont été publiés dans la revue Science.

Mais il y a un gros problème : cette mesure est en contradiction avec la valeur que les scientifiques utilisent dans les données théoriques du modèle standard. En d’autres termes, si elle est vraie, la mesure de la masse suggère que le modèle standard de la physique – qui est une théorie de référence expliquant les quatre forces connues dans l’univers et toutes les particules fondamentales – repose sur des bases fragiles.

Contrairement à d’autres particules fondamentales comme les quarks, les électrons et les photons, le boson W n’est pas une particule que l’on apprend généralement à l’école primaire. Pourtant, tout comme ces particules, il est fondamental pour la constitution de la matière dans l’univers. Le boson W est une particule messagère de ce que l’on appelle la “force nucléaire faible”, qui fait partie des quatre interactions fondamentales connues en physique des particules, les autres étant l’électromagnétisme, l’interaction forte et la gravitation. Alors que la force électromagnétique et la gravité sont quotidiennes dans les interactions humaines et la vie de tous les jours, et que la force forte est ce qui lie les noyaux atomiques entre eux, l’interaction faible n’est pas aussi visible. Pourtant, la force faible est impliquée dans la désintégration radioactive des atomes, et elle est tout aussi indispensable que les autres forces à l’aspect actuel de notre univers. Et l’interaction faible ne peut se produire sans l’aide d’un boson W.

Pour effectuer la nouvelle mesure de la masse du boson W, les chercheurs ont utilisé les données de collision du Fermi National Accelerator Laboratory, un accélérateur de particules situé dans l’Illinois, aujourd’hui hors service. L’accélérateur de particules de Fermilab envoie des protons et des anti-protons les uns dans les autres à une vitesse proche de la lumière et observe de près l’explosion de particules énergétiques qui en résulte, puis extrapole leurs caractéristiques.

Au cours de son fonctionnement, l’accélérateur a réussi à synthétiser quatre millions de candidats bosons W, dont les propriétés ont été mesurées à maintes reprises. Grâce à des calculs approfondis, les scientifiques sont parvenus à leur mesure, qui est précise à sept écarts-types près, soit bien plus que les cinq écarts-types qui permettent d’obtenir un résultat statistique de référence.

“Le nombre d’améliorations et de vérifications supplémentaires qui ont été apportées à notre résultat est énorme”, a déclaré dans un communiqué de presse Ashutosh V. Kotwal de l’Université Duke, qui a dirigé l’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.”

La différence ? Les nouvelles mesures placent le boson W à environ un dixième de un pour cent plus massif que ce qui avait été prédit et accepté précédemment. CeCela semble peu, mais c’est suffisant pour causer un gros problème pour la physique des particules – si c’est vrai.

En d’autres termes, toute modification du modèle standard n’affecterait pas seulement le modèle standard, mais pourrait bouleverser toute la physique et notre compréhension de l’univers.

“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 David Toback, co-porte-parole de la FCD, dans un communiqué de presse. “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.”

Le modèle standard s’est avéré incroyablement efficace pour prédire les propriétés des particules qui le composent, et même les propriétés de particules inédites. En raison de sa remarquable nature prophétique, les physiciens sont impatients d’essayer de percer des trous, ce qui pourrait donner lieu à de nouvelles découvertes et à une nouvelle physique. En effet, comme l’a rapporté Salon en 2021, l’expérience Muon g-2 du Fermilab a produit des résultats bizarres, légèrement différents de ce que prévoyait le modèle standard – bien que ces résultats n’aient pas tout à fait dépassé l'”étalon-or” de 5 écarts-types qui les rendrait définitifs.

Mais lorsqu’il s’agit d’effectuer des mesures aussi précises et avec une marge d’erreur aussi faible, certains physiciens affirment qu’il est tout aussi probable que l’expérience soit défectueuse, plutôt que le modèle standard.

“On peut se demander s’il ne s’agit pas d’un effet expérimental, d’une erreur expérimentale, et si l’étalonnage peut en être la source. Eh bien, c’est l’une des deux possibilités”, a déclaré à Salon Bruce Schumm, professeur de physique à l’Université de Californie-Santa Cruz, et auteur d’un livre populaire sur la physique des particules. “Si la différence [in mass] est une erreur, peut-être oui, le calibrage du détecteur est une source très probable de cette erreur, de cette faute.”

Schumm a déclaré qu’il est important de faire la distinction entre . la précision et précisionen notant que l’on peut effectuer une mesure inexacte avec une grande précision.

“La précision est la taille de l’incertitude et l’exactitude est la taille de l’erreur potentielle”, a déclaré Schumm. “Vous pouvez avoir quelque chose qui est très, très précis, mais qui est complètement faux”.

Schumm a déclaré que la nouvelle mesure de la masse du boson W par la CDF “manquait un pistolet fumant” – plus précisément, que d’autres mesures provenant de différentes expériences ne sont pas en accord avec le résultat de la CDF pour la masse du boson W.

“Il est concevable que toutes les autres mesures manquent quelque chose et que la mesure CDF ait été effectuée plus soigneusement et obtienne la bonne réponse”, a déclaré Schumm. “Mais je pense que selon toute vraisemblance, soit le résultat de la CDF est faux, soit l’ensemble des autres résultats est faux”.

Auparavant, Schumm a déclaré à Salon qu’il était “exagéré” de dire que le modèle standard serait un jour complètement réécrit ou défait.

Le modèle standard a toujours été connu, depuis le jour où il a été inventé, comme étant ce que l’on appelle une “théorie effective”, a déclaré Schumm. Il a comparé le modèle standard à la “pointe d’un iceberg”, dans lequel la pointe est observée et bien comprise, même si nous ne savons pas entièrement ce qui se trouve sous l’eau. “Je parierais n’importe quelle somme d’argent [the Standard Model] ne sera jamais renversée, en tant que représentation de cette partie émergée de l’iceberg”, a-t-il déclaré.