Les particules produites par des collisions de protons et d'antiprotons dans le détecteur UA1 au Cern en 1983 étaient étudiées avec des ordinateurs. On voit ici certaines des trajectoires de ces particules reproduites sur un écran par ces ordinateurs. © Cern

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Boson W

DéfinitionClassé sous :physique , boson W , modele standard

Le boson W est une particule fondamentale qui, dans le cadre du modèle électrofaible unifiant force nucléaire faible et force électromagnétique, est un cousin du photon. Il s'agit donc d'une excitation d'un champ quantique relativiste vectoriel lequel intervient dans les processus à l'origine de la radioactivité bêta.

Le boson W est une particule chargée existant sous deux formes (W+ et W-) dont la masse est donnée par le mécanisme de Brout-Englert-Higgs, donc par son couplage au champ scalaire décrivant le boson de Higgs. Sa découverte et le début de son étude ont été faits au Cern en 1983 à l'aide des détecteurs UA1 et UA2 qui scrutaient les produits des collisions entre des faisceaux de protons et d'antiprotons.

Un documentaire sur la découverte des bosons W et Z, au Cern, au début des années 1980. Ces bosons sont massifs en raison de l'existence du mécanisme de Brout-Englert-Higgs. © Cern, BBC Open University, YouTube

Le boson W est massif et instable

Le boson W participe aux interactions électrofaibles entre quarks et leptons, notamment celles qui transforment les protons en neutrons, et vice-versa. On peut également dire qu'il est une manifestation de la force nucléaire faible qui déclenche la fusion nucléaire et permet aux étoiles de brûler et d'effectuer la nucléosynthèse.

La lettre W du nom de boson W vient de l'anglais weak signifiant "faible" car il transmet l'interaction faible qui, comme son nom l'indique, est beaucoup plus faible que les autres interactions.

Le boson W étant massif et instable, il est difficile de le créer dans des collisions et de l'observer directement car il se désintègre très rapidement. Sa masse est d'environ 81 GeV ce qui veut dire qu'il pèse autant que 81 protons. Une autre partie de la force nucléaire faible est associée à un autre boson, mais neutre celui-ci : le boson Z.

Boson W et boson Z sont décrits par des équations de Yang-Mills possédant un groupe de Lie de symétrie, SU(2) dans le premier cas et U(1) dans le second. Des cousins de ces bosons découlent naturellement d'extensions du modèle standard de la physique des particules comme la théorie des cordes. Ces bosons W’ et Z’, comme ils sont appelés, sont activement recherchés au LHC.

Pourquoi le boson de Higgs est-il si important ?  Pourquoi le boson de Higgs est-il si important pour les physiciens ? C'est la question à laquelle répond Nathalie Besson, du CEA, qui étudie les bosons W et Z avec le détecteur Atlas, au LHC. Cette particule n'était qu'une prédiction et sa découverte a validé le « modèle standard », qui fonctionne très bien mais ne prédit pas tout, par exemple la matière et l'énergie noires. Consolidé, il pourra être mieux mis à l'épreuve pour, peut-être, emmener la physique vers de nouveaux chemins.