La masse du boson le plus élevé W fait référence aux trous dans le bouclier du modèle standard

Zoom / Illustration d’un événement candidat pour un boson W se désintégrant en un muon et un neutrino à partir de collisions proton-proton, enregistré par le détecteur ATLAS du Large Hadron Collider en 2018.

Collaboration Atlas/CERN

le Modèle standard de physique des particules Il a résisté à des tests rigoureux après des tests pendant de nombreuses décennies, et A la découverte du boson de Higgs En 2012, il a fourni la dernière pièce d’observation du puzzle. Mais cela n’a pas empêché les physiciens de rechercher constamment de nouvelles physiques au-delà de ce que le modèle prédit. En fait, nous savons que le modèle doit être incomplet car il n’intègre pas la gravité et n’explique pas l’existence de matière noire dans l’univers. Cela ne peut pas non plus expliquer le taux d’expansion accéléré de l’univers, que de nombreux physiciens attribuent à l’énergie noire.

Le dernier indice sur la façon dont le modèle standard pourrait nécessiter une révision provient d’une nouvelle mesure précise du boson W par la collaboration CDF II du Laboratoire Fermi. Cette mesure a donné une masse statistiquement significativement plus élevée pour le boson W que le modèle standard prédit – dans les sept écarts-types, selon nouveau papier Publié dans la revue Science. Il est également en conflit avec les mesures de précision précédentes de la masse du boson W.

« La valeur étonnamment élevée de la masse du boson W signalée par la collaboration CDF remet directement en cause un élément fondamental au cœur du modèle standard, dans lequel les observations expérimentales et les prédictions théoriques étaient considérées comme bien établies et comprises », a-t-il écrit au Université de Californie, Santa Barbara. ) et Martin Mulders (CERN) perspective d’accompagnement. « La découverte… offre une nouvelle perspective passionnante sur la compréhension actuelle des structures fondamentales de la matière et des forces dans l’univers. »

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Cela dit, les physiciens sont déjà venus ici : déconcertés par des allusions à une nouvelle physique passionnante, leurs espoirs ont été déçus à mesure que de nouvelles preuves émergent. Des affirmations extraordinaires exigent des preuves extraordinaires, et c’est certainement une affirmation extraordinaire. « Si cela est vrai, c’est important parce que le modèle standard serait faux », a déclaré à Ars Clifford Cheung, physicien au California Institute of Technology. « Mais le désaccord apparent dans les procès appelle à une extrême prudence. »

Modèle standard pour les particules élémentaires, y compris les antiparticules.
Zoom / Modèle standard pour les particules élémentaires, y compris les antiparticules.

Le modèle standard décrit les éléments constitutifs de base de l’univers et l’évolution de la matière. Ces blocs peuvent être divisés en deux groupes de base : les fermions et les bosons. Les fermions constituent toute la matière de l’univers, y compris les leptons et les quarks. Les leptons sont des particules qui ne participent pas à la cohésion du noyau atomique, comme les électrons et les neutrinos. Leur travail consiste à aider la matière à se transformer par désintégration nucléaire en d’autres particules et éléments chimiques, en utilisant la force nucléaire faible. Les quarks constituent le noyau atomique.

Les bosons sont les liaisons qui maintiennent les autres particules ensemble. Les bosons se déplacent d’une particule à l’autre, ce qui conduit à l’émergence de forces. Il existe quatre bosons de mesure liés à la force. Le gluon est lié à la force nucléaire forte : il « colle » les noyaux d’un atome entre eux. Le photon porte la force électromagnétique qui fait apparaître la lumière. Les bosons W et Z portent la force nucléaire faible et conduisent à différents types de désintégration nucléaire. Ensuite, il y a le boson de Higgs, qui est une manifestation du champ de Higgs. Le champ de Higgs est une entité invisible qui imprègne l’univers. Les interactions entre le champ de Higgs et les particules aident à donner de la masse aux particules, avec des particules qui interagissent plus fortement et ont des masses plus importantes.

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Mesures expérimentales et prédictions théoriques de la masse du boson W.
Zoom / Mesures expérimentales et prédictions théoriques de la masse du boson W.

Collaboration CDF / Laboratoire Fermi

Le boson W est un élément fondamental du modèle standard, et l’amélioration des mesures de sa masse aide les physiciens à continuer d’améliorer et de tester le modèle standard. Mais c’est une mesure difficile. En tant que rédacteur scientifique d’Ars John Timmer Mentionné en 2012:

[The W boson] j’étais première découverte dans les années 1980 à l’accélérateur SPS du CERN, qui fait maintenant partie de Chaîne d’accélérateur alimentant le LHC. Depuis, plusieurs accélérateurs ont produit suffisamment de W pour fournir une estimation de leur masse, tous les plaçant au-dessus de 80 GeV, dans la plage d’erreur d’environ 100 MeV…

Comme nous ne pouvons pas détecter directement les bosons W avec les appareils, les chercheurs ont dû ajouter la masse et l’énergie libérées lors de leur désintégration. Cela inclut l’énergie transportée par n’importe quel photon, la masse et la quantité de mouvement de la particule, ainsi que des estimations de toute énergie transportée par des neutrinos rapides, qui traversent les détecteurs sans laisser de trace. Les erreurs restantes dans l’estimation de la masse proviennent des incertitudes dans ces divers processus.

L’équipe CDF II a passé au peigne fin 10 ans de données enregistrées, représentant environ 4 millions d’événements de filtre boson W, et a trouvé une masse de 80,433 GeV, ± 0,9,4. Cela contraste avec les mesures précédentes de la masse du boson W, notamment celles réalisées par CDF II en 2012 (80 387 GeV, ± 0,02) et l’Atlas au CERN. en 2018 (80,370 GeV, ±19).

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« C’est un résultat déroutant, car il n’y a pas que beaucoup de tension avec le modèle standard – ce qui en soi ne serait pas aussi mauvais qu’il pourrait le suggérer. [new] La recherche de physique sera probablement effectuée par le Large Hadron Collider – mais aussi quelque peu en tension avec les mesures précédentes, a déclaré à Ars le physicien de Caltech Michel Babuchi.

Jacinthe Poulin

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