Cette minuscule particule pourrait bouleverser ce que nous pensons savoir sur l’univers

VICTOR de SCHWANBERG / PHOTOTHÈQUE SCIENTIFIQUEGetty Images

  • De nouvelles recherches montrent que le boson W – une minuscule particule fondamentale pour la formation de notre univers – est plus lourd que prévu par les scientifiques.
  • Cette découverte va à l’encontre du modèle standard de la physique des particules, le cadre utilisé par les scientifiques pour donner un sens à toute matière observable.
  • L’équipe de 400 personnes a soigneusement passé au crible 10 années de données provenant de plus de quatre millions de collisions dans un accélérateur de particules du laboratoire Fermi.

    Le boson W, l’une des particules les plus minuscules et les plus élémentaires de l’univers connu, provoque un grand chahut dans le domaine de la physique des particules.

    De nouvelles découvertes sur la particule, qui est fondamentale pour la formation de l’univers, suggèrent que sa masse pourrait être bien plus lourde que prévu par le modèle standard de la physique des particules – le «règlement» théorique qui nous aide à comprendre les éléments constitutifs de la matière. Si c’est vrai, cela pourrait signaler un changement monumental dans notre compréhension de l’univers.

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    Selon le modèle standard, les bosons W (avec une autre particule, appelée bosons Z) sont responsables de la force nucléaire faible, l’une des quatre forces qui maintiennent ensemble toute la matière observable dans l’univers. Les autres forces comprennent la force gravitationnelle (pour laquelle il n’y a actuellement aucune explication dans le modèle standard), la force électromagnétique et la force nucléaire forte.

    Les forces gravitationnelles et électromagnétiques agissent à grande échelle. Pensez : l’emprise du soleil sur des planètes lointaines, ou le voyage léger d’étoiles lointaines à travers l’univers. Les forces nucléaires faibles et fortes, cependant, interagissent avec les objets les plus minuscules de notre univers et ne se produisent que dans les noyaux des atomes. (Par coïncidence, ce sont les forces responsables de la génération de la radioactivité.)

    La force nucléaire faible est particulièrement importante. Il est responsable, entre autres, du processus par lequel le soleil forme de l’hélium à partir d’hydrogène et est essentiel à la formation de notre univers. “S’il n’y avait pas cette force, aucun des éléments lourds au-delà de l’hydrogène ne se formerait”, a déclaré Ashutosh Kotwal, physicien à l’Université Duke et l’un des responsables de l’expérience. Mécaniques populaires. “C’est crucial pour notre existence.”

    Les scientifiques ont d’abord prédit le boson W dans les années 1960, mais ce n’est qu’en 1983 qu’une équipe de chercheurs du CERN (le Conseil européen pour la recherche nucléaire) a prouvé son existence. (Les deux équipes ont remporté des prix Nobel pour leurs travaux sur la particule.) Depuis lors, les équipes de recherche ont cherché à identifier précisément la masse du boson W, une mesure critique qui agit comme un paramètre clé pour le reste du cadre du modèle standard.

    laboratoire fermi, physique des particules

    L’accélérateur de particules Tevatron, désormais fermé, du laboratoire Fermi à Batavia, dans l’Illinois.

    Laboratoire Fermi

    Une équipe internationale de plus de 400 chercheurs – collectivement connue sous le nom de Collider Detector de Fermilab Collaboration – a travaillé ensemble pour analyser près de dix ans de données recueillies auprès de l’accélérateur de particules Tevatron du Fermilab, aujourd’hui disparu, à Batavia, dans l’Illinois. Et ils ont trouvé quelque chose de particulier : la mesure de la masse du boson W qu’ils rapportent dans leur nouvel article, publié aujourd’hui dans la revue Science, est environ 0,1 % plus lourd que les estimations précédentes.

    Les chercheurs ont pu mesurer la masse du boson W en brisant ensemble des faisceaux de protons et d’antiprotons dans le vide. Ces collisions génèrent une multitude de particules différentes, mais produisent rarement un boson W. “Nous ne sommes pas en mesure de mesurer directement le boson W, dans un sens, car il se désintègre incroyablement rapidement – en quelque chose comme un billionième de billionième de seconde”, explique Kotwal.

    “C’est remarquable à quel point la nature résiste à révéler ses secrets… C’est une course-poursuite merveilleuse, mais c’est absolument exaspérant.”

    Ainsi, l’équipe doit analyser les restes du boson W, les particules qu’il laisse derrière lui dans son sillage. Mais seules certaines combinaisons de particules restantes peuvent fournir aux scientifiques les données dont ils ont besoin. En particulier, Kotwal et ses collègues ont recherché des collisions produisant deux paires spécifiques de particules : soit un muon et un neutrino, soit un électron et un neutrino. (Vous le savez peut-être, les muons sont les cousins ​​subatomiques beaucoup plus lourds des électrons. Les neutrinos, affectueusement appelés particules fantômes, sont électriquement neutres et ont une masse incroyablement petite. Un électron est, eh bien, un électron.) En mesurant la position et l’énergie de ces paires de particules, l’équipe a pu déterminer la masse du boson W désintégré.

    C’est une tâche incroyablement difficile, cependant. Sur les quelque 450 000 milliards de collisions que l’équipe a observées entre 2002 et 2011, seules environ quatre millions de collisions ont généré suffisamment de données de haute qualité sur le boson W.

    À partir de ces données, ils estiment que la nouvelle mesure de masse du boson W est de 80 433,5 ± 9,4 MeV / c2 — loin (dans le domaine de la mécanique quantique, c’est-à-dire) des mesures précédentes, et de ce que le modèle standard suggère. devrait être. Il s’agit de la mesure la plus précise enregistrée à ce jour, rapporte l’équipe, environ deux fois plus précise que les calculs précédents. David Toback, physicien à la Texas A&M University et co-porte-parole de l’équipe de 400 personnes, compare cela à la mesure précise du poids d’un gorille de 800 livres à moins d’une once.

    Maintenant, c’est à la communauté scientifique de comprendre exactement ce que signifient ces découvertes. Cela pourrait signifier, par exemple, qu’il existe des particules jusque-là inconnues qui attendent d’être découvertes, ou des interactions physiques entièrement nouvelles pour la science. “Il est remarquable de voir à quel point la nature résiste à révéler ses secrets”, raconte Toback Mécaniques populaires. “C’est une poursuite merveilleuse, mais c’est absolument exaspérant.”

    La prochaine étape, bien sûr, sera de réaliser encore plus d’expériences et d’obtenir la confirmation de cette mesure par une source indépendante. Toback espère que les expériences CMS et ATLAS au Grand collisionneur de hadrons du CERNS à Genève, en Suisse – chacune d’entre elles s’appuyant sur la participation de milliers de scientifiques – fourniront encore plus de données dans un avenir proche et, si nous avons de la chance, certaines nouvel aperçu.

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