18/04/2022 Une nouvelle mesure du boson W

Le boson W dispose d’une force supérieure à celle qui lui avait avait été attribuée dans le tableau des particules élémentaires. Une collaboration de près de 400 physiciens vient de publier l’article cité en référence, dont nous reprenons ci-dessous l ‘abstract.

On appelle force d’une particule élémentaire l’une des quatre forces fondamentales qui régissent le comportement de la matière dans l’ univers. Le boson W est avec le bozon Z, le vecteur de la force faible, Les particules de matière interagissent en échangeant ces bosons, mais cette interaction a une faible portée. Le boson W, qui a une charge électrique, change la nature même des particules. Il transforme les protons en neutrons, et vice-versa, par la force faible, c’est-à-dire la force qui déclenche la fusion nucléaire et permet aux étoiles de brûler. Cette combustion crée des éléments plus lourds et, quand une étoile meurt, ces éléments sont projetés dans l’espace, constituant ainsi des matériaux de construction pour les planètes, et les êtres vivants.

Dans les années 1960, la force faible a été combinée avec la force électromagnétique dans les théories électrofaibles unifiées, qui visaient à assurer une cohérence mathématique au cadre de base de la physique. Toutefois, la théorie supposait que les particules porteuses de force soient dépourvues de masse, alors même que les scientifiques savaient que le boson W devait avoir une masse importante, expliquant la courte portée de l’interaction.

Pour expliquer la masse du W, les théoriciens ont alors introduit un autre mécanisme, jusqu’ici non observé,  qui sera appelé par la suite mécanisme de Higgs et qui suppose l’existence d’un boson spécifique, le boson de Higgs. Celui-ci a été mis en évidence en 2012 au Cern. Cette masse était de 80 357 méga-électronvolts.Or la masse qui vient d’être découvertes est de 80 443.

La différence paraît infime. Mais cette différence met en évidence que quelque chose n’avait pas été compris. La théorie de la matière, dite le modèle standard, est elle à réécrire ? Et ça, c’est une excellente nouvelle !  

En effet, tous les physiciens savent que le modèle standard est incomplet. Et ils cherchent depuis des dizaines d’années des indices qui pourraient les amener à la compléter. En particulier, cette théorie n’arrive pas à décrire la gravité – on ne sait pas décrire, à l’échelle microscopique, la force qui fait tomber les pommes des arbres, et qui nous maintient les pieds sur Terre. Va-t-on y réussir dorénavant, grâce au boson W ?

High-precision measurement of the W boson mass with the CDF II detector

SCIENCE • 7 Apr 2022 • Vol 376, Issue 6589 • pp. 170-176 • DOI: 10.1126/science.abk1781

Weighing the W boson

W bosons mediate the weak interaction, one of the fundamental forces in physics. Because the Standard Model (SM) of particle physics places tight constraints on the mass of the W boson, measuring the mass puts the SM to the test. The Collider Detector at Fermilab (CDF) Collaboration now reports a precise measurement of the W boson mass extracted from data taken at the Tevatron particle accelerator (see the Perspective by Campagnari and Mulders). Surprisingly, the researchers found that the mass of the boson was significantly higher than the SM predicts, with a discrepancy of 7 standard deviations. —JS

Abstract

The mass of the W boson, a mediator of the weak force between elementary particles, is tightly constrained by the symmetries of the standard model of particle physics. The Higgs boson was the last missing component of the model. After observation of the Higgs boson, a measurement of the W boson mass provides a stringent test of the model. We measure the W boson mass, MW, using data corresponding to 8.8 inverse femtobarns of integrated luminosity collected in proton-antiproton collisions at a 1.96 tera–electron volt center-of-mass energy with the CDF II detector at the Fermilab Tevatron collider. A sample of approximately 4 million W boson candidates is used to obtain MW=80,433.5±6.4stat±6.9syst=80,433.5±9.4 MeV/c2MW=80,433.5±6.4stat±6.9syst=80,433.5±9.4 MeV/c2, the precision of which exceeds that of all previous measurements combined (stat, statistical uncertainty; syst, systematic uncertainty; MeV, mega–electron volts; c, speed of light in a vacuum). This measurement is in significant tension with the standard model expectation.

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