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Le LHC toujours sur la trace du mythique boson Z'

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Parmi les signes d'une nouvelle physique accessibles au LHC, on trouve le mythique boson Z'. Un curieux événement, malheureusement unique pour le moment, a été mis en évidence dans le détecteur CMS. Il pourrait trahir l'existence de ce boson.

En 2009, le prix Nobel de physique David Gross a visité la salle de contrôle du détecteur CMS. Gross est à l'origine d'une version de la théorie des supercordes qui contient une bonne partie des équations du modèle standard de la physique des particules. La détection d'un boson Z' prime pourrait permettre de tester cette théorie. © Michael Hoch

Les particules désignées sous les noms de bosons Z prime et W prime (notés Z' et W') sont un peu les arlésiennes de la physique théorique moderne. Elles apparaissent dans bon nombre de modèles proposés pour dépasser le modèle standard et semblent pointer régulièrement le bout du nez dans les accélérateurs géants comme le Tevatron ou le LHC... pour ensuite demeurer insaisissables.

Futura-Sciences a consacré plusieurs articles à des signes de l'existence des bosons Z’. Or, voilà que le physicien Tommaso Dorigo, bien connu dans la blogosphère de la physique des hautes énergies, vient d'annoncer qu'il était intrigué par un « événement » (le terme employé) observé dans le détecteur géant CMS équipant le LHC. En physique, et particulièrement en théorie quantique relativiste des champs, les symétries présentes dans une équation contribuent à la définir et, de plus, elles sont porteuses d'informations sur ses solutions, et donc les phénomènes qu'elle décrit. Dans le cadre du modèle standard, il existe ainsi des symétries découlant de l'existence des groupes de jauge. Ce sont des groupes de Lie associés à des équations de Yang-Mills, qui expliquent l'existence des particules de force et de matière.

Un groupe de symétries noté U(1) est ainsi lié à l'existence des bosons Z du modèle électrofaible. Ce groupe émerge aussi des équations que suggère la théorie des supercordes quand elle veut retrouver le modèle électrofaible et dans les équations qui le prolongent. En pratique, il apparaît à plus hautes énergies de nouvelles forces ressemblant à celles de ce modèle, à ceci près que les bosons véhiculant ces interactions sont plus massifs. Ce sont les bosons Z', et même W' les cousins des bosons W décrit par un même groupe de jauge, SU(2).

Une vue en 3-D du détecteur CMS, où les cases rouges et bleues indiquent des dépôts d'énergie dans le calorimètre (respectivement électromagnétique et hadronique). Les courbes vertes et bleues montrent les trajectoires de particules. Celles de l'électron et du positron, dont les deux jets ont déposé beaucoup d'énergie, sont en bleu. © Cern, CMS

Un boson Z prime qui se désintègre en positron et électron

Mais comment se manifesterait un boson Z' dans un détecteur comme CMS ? Tout d'abord, ce boson est forcément instable. Il ne pourrait être vu directement mais, comme dans le cas du boson de Brout-Englert-Higgs, serait mis en évidence indirectement par ses produits de désintégration. Comme il est électriquement neutre, la somme des charges des particules dans ses produits de désintégrations doit être nulle aussi. Or, justement, CMS a détecté ce qui semble être un positron et un électron sur des trajectoires simultanées comme les produirait une particule neutre se désintégrant en ces deux fermions. Les bilans d'énergie et de quantité de mouvement mesurés avec CMS permettent d'attribuer une masse élevée à cette particule, de l'ordre de celle que peut avoir un boson Z'.

Tommaso Dorigo reste très prudent, et avec raison. Un seul événement ne suffit pas pour une découverte. Il est tout à fait possible, même probable, que dans le feu d'artifice des collisions qui produisent un très grand nombre de particules, certaines se retrouvent par hasard dans une configuration imitant celle de la désintégration d'un boson Z'. Cette coïncidence est déjà arrivée dans le passé et cela se produit souvent lors de la chasse d'événements rares, difficiles à produire, et qui imposent un grand nombre de collisions pour être observés.

Reste que le physicien semble optimiste car, pour lui, l'augmentation en énergie et surtout en luminosité des faisceaux de protons du LHC pourrait bien permettre de découvrir d'autres événements de ce genre dans les semaines à venir. Le Cern a d'ailleurs fait savoir récemment que les ingénieurs et les techniciens en charge du LHC continuaient lentement mais sûrement à faire grimper la luminosité de ces faisceaux.

Ceux-ci sont constitués de « bunches », c'est-à-dire des paquets d'environ 100 milliards de protons dont on cherche à augmenter la fréquence de passage en un point donné. Lors de la première phase d'exploitation du LHC, cette fréquence était d'un paquet toutes les 50 nanosecondes. Elle est maintenant passée à un toutes les 25 nanosecondes et les ingénieurs espèrent atteindre à terme environ 2.800 bunches par faisceau de protons qui parcourront les 27 kilomètres de circonférence du LHC plus de 11.000 fois par seconde. Pour la fin de cette année, le cap des 2.300 bunches devrait être atteint.

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