Bizarre! La mesure du boson W ne correspond pas au modèle standard de physique

Il y a dix ans, les physiciens se demandaient si la découverte du boson de Higgs au grand collisionneur de hadrons européen indiquerait une nouvelle frontière au-delà du modèle standard des particules subatomiques. Jusqu’à présent, ce n’est pas le cas, mais une nouvelle mesure d’un autre type de boson dans un autre collisionneur de particules pourrait faire l’affaire.

C’est le résultat des nouvelles découvertes du Collider Detector du Fermilab, ou CDF, l’une des principales expériences qui ont utilisé le collisionneur de particules Tevatron au Fermilab du Département américain de l’énergie dans l’Illinois. Il n’est pas encore temps de jeter les manuels de physique, mais les scientifiques du monde entier se grattent la tête à propos de la valeur CDF qui vient d’être rapportée pour la masse du boson W.

Les bosons sont des particules porteuses de force qui transfèrent des quantités discrètes d’énergie entre les particules de matière. Par exemple, la force électromagnétique est portée par des bosons appelés photons, tandis que le boson de Higgs est responsable du transfert de la force qui confère une masse aux particules.

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Le boson W joue un rôle dans la force nucléaire faible, qui entre en jeu dans la désintégration radioactive ainsi que dans la fusion nucléaire – le processus qui fait briller le soleil. La particule a été découverte il y a des décennies au centre de recherche européen du CERN, qui abrite aujourd’hui le Grand collisionneur de hadrons, et sa masse fait depuis l’objet d’études.

En gros, le boson W est environ 80 fois plus lourd qu’un proton. Mais pour les physiciens, “grosso modo” n’est pas suffisant. Connaître le poids précis du boson W est un gros problème, car cette valeur est prise en compte dans les équations finement réglées qui sont tissées dans le modèle standard, l’une des théories les plus réussies de la science. La théorie explique comment les atomes sont assemblés – et ses prédictions, y compris la prédiction de l’existence du boson de Higgs, ont été confirmées à plusieurs reprises.

Et pourtant, il y a beaucoup de choses que le modèle standard n’explique pas. Quelques-uns des gros problèmes ont à voir avec la nature de la matière noire et de l’énergie noire, qui représentent ensemble plus de 95 % du contenu de l’univers. S’il y a une mesure qui va à l’encontre du modèle standard, cela peut indiquer une ouverture pour réviser la théorie.

C’est là qu’interviennent les découvertes du CDF, publiées dans le numéro de la semaine dernière de la revue Science : les physiciens ont analysé d’énormes quantités de données recueillies au Tevatron entre 1985 et 2011 et ont proposé une mesure de masse d’une précision de 0,01 %. C’est deux fois plus précis que la meilleure mesure précédente. Fermilab dit que c’est comme mesurer le poids d’un gorille de 800 livres à moins de 1,5 once.

Le seul problème est que le gorille de 800 livres semble faire pencher la balance à trois quarts de livre en surpoids. La valeur attendue de la masse du boson W était de 80 357 mégaélectronvolts, ou MeV, plus ou moins 6 MeV. La valeur du CDF est de 80 433 MeV, plus ou moins 9 MeV.

“Ce fut une surprise”, a déclaré Chris Hays, membre de l’équipe CDF de l’Université d’Oxford, dans un communiqué de presse.

Les chercheurs du CDF affirment que leurs résultats ont un niveau de confiance de 7 sigma, ce qui se traduit par une chance sur 390 milliards qu’ils puissent être expliqués comme un hasard statistique.

Si les résultats tiennent le coup, les physiciens théoriciens devront concentrer leur puissance de feu sur la manière d’expliquer l’écart. Il pourrait y avoir toutes sortes de gestes de la main pour relier le boson trop volumineux à des phénomènes étranges allant de la matière noire et de l’énergie noire à la supersymétrie et à de nouveaux réseaux de particules encore inconnues.

Mais il est trop tôt pour cela. Bien que l’analyse statistique semble impressionnante, il y a toujours une chance que quelque chose perturbe la mesure. Ce fut le cas pour l’affirmation de 2011 selon laquelle les neutrinos pouvaient voyager plus vite que la lumière. Lorsque ces résultats ont été annoncés pour la première fois, les chercheurs ont revendiqué un niveau de confiance presque aussi élevé que ce que l’équipe CDF prétend maintenant. Mais après examen, les chercheurs ont trouvé des problèmes dans leur configuration expérimentale, y compris un câble à fibre optique mal attaché. Ces neutrinos plus rapides que la lumière ne l’étaient pas.

Le directeur adjoint du Fermilab, Joe Lykken, a déclaré que les conclusions du CDF ne suffisaient pas à elles seules à forcer une refonte complète du modèle standard. “Bien qu’il s’agisse d’un résultat intrigant, la mesure doit être confirmée par une autre expérience avant de pouvoir être pleinement interprétée”, a-t-il déclaré.

Le co-porte-parole du CDF, David Toback, physicien à la Texas A&M University, a déclaré que les découvertes récemment rapportées représentent une vérification précieuse du modèle standard, qu’elles finissent ou non par être confirmées.

“Il appartient maintenant à la communauté de la physique théorique et aux autres expériences de suivre cela et de faire la lumière sur ce mystère”, a-t-il déclaré. “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 fortes chances que ce soit quelque chose qui puisse être découvert dans de futures expériences.”

Consultez ce fil Twitter pour des spéculations éclairées du physicien de l’Université de Durham, Martin Bauer, sur ce qu’un boson W en surpoids pourrait signifier pour le modèle standard :

Il s’agit d’une version mise à jour d’un rapport publié pour la première fois sur Cosmic Log.

Image principale : Le Collider Detector du Laboratoire Fermi, vu sur cette image en cours de démantèlement, a enregistré des collisions de particules à haute énergie de 1985 à 2011. (Source : Laboratoire Fermi via CERN)

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