La physique des particules n’en finit pas de repousser les limites de la connaissance. Après la détection du Boson de Higgs en 2012 au LHC, les chercheurs américains du Fermilab viennent de dévoiler les conclusions de plus de 10 ans de travaux autour du Boson W. Une particule que l’on pensait bien étudiée, et dont les caractéristiques semblaient correspondre à ce que prédit le modèle standard, mais dont les mesures, notamment de masse, manquaient encore de précision.
Le modèle standard de la physique des particules développé dans les années 1970 théorise l’électromagnétisme, les interactions nucléaires faible et forte, et la classification de toutes les particules subatomiques connues. On parle de particules sans lesquelles les électrons, les protons, les neutrons, et les électrons ne pourraient exister – et qui conditionnent leurs masse, énergie, charge, spin et interactions, entre autres propriétés.
La différence entre les prédictions et les mesures de la masse du Boson W pourrait trahir l’existence d’une nouvelle particule…
Ce modèle s’était révélé plutôt fiable jusqu’ici, au point que la plupart des découvertes de ces dernières années, comme la première détection du boson de Higgs en 2012, n’ont, dans une large mesure, que confirmé les prédictions du modèle. Mais voilà, il ne s’agit que d’une théorie, et plus les recherches avances, plus les scientifiques soupçonnent que ce modèle est en réalité incomplet.
Du coup, les recherches se poursuivent pour tenter de déterminer toutes les variations étranges qui pourraient trahir, par exemple, l’existence d’une particule encore jamais détectée. Ou alors remettre en question une partie des prédictions de ce modèle. C’est donc dans ce contexte que les chercheurs du Fermilab ont analysé rigoureusement pendant 10 ans des milliards de collisions – plus de 26 ans de données du Tevatron – pour tenter d’améliorer la mesure de certaines particules, notamment la masse du Boson W.
Les bosons W+ et W- sont deux particules élémentaires de la classe des bosons. Ce sont plus précisément deux des trois bosons de jauge de l’interaction faible, les médiateurs de cette interaction, le troisième étant le boson Z. La découverte de ces bosons est attribuée à des travaux du CERN datant de 1983 – les chercheurs ont montré l’existence de ces particules lors de collisions entre protons et antiprotons. Ses propriétés étaient alors décrites comme proches de celles prévues par la théorie électrofaible.
La première mesure de la masse du boson W était alors relativement imprécise, mais des mesures subséquentes du CERN et du Tevatron (Fermilab) ont permis de réduire grandement la marge d’erreur. Cela étant, les dernières mesures sont beaucoup plus fiables à en croire leurs auteurs. Les chercheurs du Fermilab n’ont publié aucun résultat avant de s’assurer plusieurs fois de la fiabilité de leurs calculs. Il faut dire qu’ils surprennent en grande partie la communauté scientifique…
En effet, la précision atteinte par les chercheurs serait deux fois plus grande que le chiffre précédemment avancé (environ 0,01 %). La masse du Boson W serait ainsi de 80 433,5 MeV avec une marge d’erreur de seulement 9,4 MeV. Or, le problème c’est que le modèle standard prédit un chiffre nettement inférieur à celui calculé par les chercheurs, y compris en prenant en compte la marge d’erreur, soit 80 357 MeV. Il faut d’ailleurs noter que récemment le LHC a mesuré la masse de ce boson à 80 354 MeV (précision de ± 32 MeV).
Ce qui reste proche des prédictions et jette le trouble sur les conclusions du Fermilab. Du coup deux camps se forment – d’un côté les chercheurs qui préfèrent croire à une erreur et restent du côté du modèle standard. Et de l’autre les 400 chercheurs du Fermilab à l’origine de l’étude qui défendent le sérieux de leur analyse qui court sur une décennie. L’un des principaux auteurs de l’étude, Ashutosh Kotwal, explique :
“Le nombre de vérifications supplémentaires et améliorations qui ont conduit à notre résultat est énorme. Nous avons pris en compte notre compréhension améliorée de notre détecteur de particules [le Tevatron, ndlr] ainsi que les dernières avancées théoriques et expérimentales autour des interactions du Boson W avec d’autres particules. Lorsque nous avons enfin dévoilé le résultat, nous nous sommes rendu compte qu’il différait des prédictions du modèle standard”.
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Les travaux de Fermilab devront encore être vérifiés indépendamment ce qui peut prendre du temps. Mais si ils se confirment, la différence de mesure pourrait trahir l’existence de particules jusqu’ici inconnues ou d’une nouvelle physique au-delà du modèle standard. Sachant que l’on se doute, comme nous le disions plus haut, depuis longtemps que le modèle standard est encore incomplet. Les chercheurs renvoient donc la balle aux équipes du LHC qui pourraient découvrir dans les prochaines mois ou années ce qui se cache derrière ce mystère…
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