La masse du boson W vient d'être mesurée avec une précision record, ce qui pourrait nous aider à découvrir une nouvelle physique. Ici, Atlas l’un des deux détecteurs polyvalents du Grand collisionneur de hadrons (LHC). © LHC

Sciences

Masse du boson W : le Cern toujours en quête d'une nouvelle physique

ActualitéClassé sous :physique , boson W , boson Z

Il y a presque trente-cinq ans, le Cern annonçait la découverte du boson W. Clé de voûte du modèle standard, sa masse est donnée par l'existence du boson de Brout-Englert-Higgs. Celle-ci vient d'être mesurée avec une précision record, ce qui pourrait nous aider à découvrir une nouvelle physique.

Le boson W est un cousin du photon sauf qu'il est massif et qu'il est chargé. C'est l'une des particules responsables des forces dites « électrofaibles » entre quarks et leptons dans le modèle standard. Il permet une description fine de la radioactivité bêta et des processus de nucléosynthèse qui font briller le Soleil et les étoiles sur la séquence principale. Il permet aussi une description de la formation des étoiles à neutrons accompagnant les supernovae de type SN II.

En fait, l'existence du boson W a été prédite presque dix ans avant la publication de la fameuse théorie des forces électrofaibles de Glashow-Salam-Weinberg dans deux publications, l'une faite par Richard Feynman et Murray Gell-Mann (1958) et l'autre par E. C. G. Sudarshan et R. E. Marshak (1957), comme l'explique le physicien Leite Lopes, qui a été partie prenante de cette complexe gestation d'une théorie unifiée des forces électromagnétiques nucléaires faibles.

La masse du boson W résulte de l'existence du fameux boson de Brout-Englert-Higgs. Plus facile à mettre en évidence dans des expériences de collisions de particules, le boson W a été découvert dès 1983 au Cern, soit presque trente ans avant la découverte du boson de Brout-Englert-Higgs (voir article ci-dessous).

Une présentation du boson W. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais apparaissent alors. Cliquez ensuite sur la roue dentée à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Cern

Un boson W est environ 80 fois plus lourd qu'un proton

Les membres de la collaboration Atlas, l'un des détecteurs géants du LHC, viennent de faire savoir que leur travail concernant une mesure très précise de la masse du boson W avait finalement été publié dans The European Physical Journal C alors qu'un article à ce sujet était déjà disponible sur arXiv l'année dernière. On y apprend que cette masse est de 80.370 ± 19 MeV, ce qui fait qu'un boson W est environ 80 fois plus lourd qu'un proton.

Cette estimation est le résultat de cinq ans de travail acharné à partir des mesures concernant 14 millions de bosons W détectés par Atlas uniquement pendant l'année 2011 avec des collisions à TeV (téraélectronvolts). Autant dire que l'on est encore au tout début des études fines de ce boson, car les faisceaux de protons au LHC sont devenus plus lumineux et plus énergétiques au cours de ces dernières années ; ils ont donc permis la création d'un bien plus grand nombre de bosons W.

Un évènement candidat, à une énergie de collision totale de 7 TeV, d’un boson W se désintégrant dans Atlas pour produire une paire électron-positron (trace rouge). © Collaboration Atlas-Cern

La valeur précise de cette masse est corrélée à celles de plusieurs autres particules du modèle standard et potentiellement à des effets d'une nouvelle physique comme la supersymétrie, qui pourrait être la clé de la nature de la matière noire et de l'énergie noire. Aucun signe de cette nouvelle physique n'est encore sorti de l'étude du boson W, qui se comporte donc avec une excellente précision, comme le prédit le modèle standard. Toutefois, nous n'en sommes qu'au début de l'exploitation des données du LHC.

  • Le boson W est une particule chargée et massive, cousine du photon. Comme ce dernier, il participe aux interactions électrofaibles de la théorie unifiée de Glashow-Salam-Weinberg.
  • L'annonce de sa découverte a été faite au Cern le 25 janvier 1983, indiquant implicitement l'existence du boson de Brout-Englert-Higgs qui lui donne sa masse.
  • Celle-ci vient d'être mesurée avec une précision de 0,02 % grâce aux mesures faites au LHC en 2011. Une détermination encore plus précise pourrait servir à mettre en évidence une nouvelle physique. Bien des données collectées avec le LHC ces dernières années attendent encore d'être analysées à ce sujet.
Pour en savoir plus

En vidéo : il y a 30 ans, on découvrait le boson W

Article de Laurent Sacco publié le 28/01/2013

Le 25 janvier 1983, le Cern annonçait que la découverte du boson W prédit par une théorie unifiée des forces électromagnétique et nucléaires faibles. C'est parce que le mécanisme de Brout-Englert-Higgs expliquait la masse de cette particule que la chasse au boson de Higgs a été lancée.

En 1967, Steven Weinberg et, peu de temps après, Abdus Salam, publient leur théorie unifiée des forces électromagnétique et nucléaire faible. C'est le fameux modèle électrofaible, qui reprend en partie les travaux de Sheldon Glashow. On le désigne souvent comme le modèle de Glashow-Salam-Weinberg (GSW).

Lors d'une conférence de presse, le 25 janvier 1983, les physiciens du Cern annonçaient la découverte du boson W. On reconnaît, à gauche, et de gauche à droite, Carlo Rubbia et Simon van der Meer. © Cern

Il utilise de façon essentielle le mécanisme Brout-Englert-Higgs. Basé sur l'existence du champ de Higgs, ce modèle permet de doter d'une masse les bosons intermédiaires W et Z impliqués par la théorie. Sans ce mécanisme, ces bosons, équivalents des photons du champ de Maxwell, qui véhiculent les forces électrofaibles entre les quarks et les leptons, seraient sans masse.

En 1982, au Cern, une équipe de physiciens, dirigée par l’Italien Carlo Rubbia, réalise une des plus extraordinaires expériences de la physique contemporaine. L'objectif est de prouver l'existence de deux nouvelles particules subatomiques, les bosons W et Z, et de confirmer ainsi la théorie électrofaible proposée dans les années 1960 par Abdus Salam, Shelton Glashow et Steven Weinberg. © Cern, BBC Open University, YouTube

Les bosons W, des bosons massifs et chargés

Dès 1973, au Cern, certaines prédictions du modèle GSW sont vérifiées, en l'occurrence les courants neutres. Glashow, Salam et Weinberg reçoivent alors le prix Nobel de physique en 1979 mais les bosons W et Z, prédictions fondamentales de leur théorie, ne sont pas encore découverts.

Le physicien Carlo Rubbia se fait fort peu de temps après, de découvrir ces bosons intermédiaires grâce à des collisions en accélérateur. Dès 1976, avec Peter McIntyre et David Cline, il propose de modifier dans ce but le plus grand accélérateur du Cern, le SPS, pour en faire un collisionneur à deux faisceaux, l'un de protons et l'autre d'antiprotons.

Une vue de l'impressionnant détecteur UA1. De 1982 à 1983, il a permis de prouver l'existence des bosons W et Z du modèle GSW. © Cern

Des collisions de protons et d'antiprotons

De cette façon, il devient possible d'atteindre les énergies nécessaires pour créer suffisamment de bosons W. Mais il faut commencer par résoudre le problème de la production de faisceaux intenses d'antiprotons. La contribution à la solution de ce problème par Simon van de Meer sera cruciale.

Une autre clé importante dans la découverte des bosons W et Z repose sur la construction de détecteurs géants, couplés à des ordinateurs. C'est une nécessité pour chercher, dans les feux d'artifice de particules produites par les collisions de faisceaux, de rares événements causés par l'apparition fugace et la désintégration extrêmement rapide des bosons électrofaibles instables.

Deux détecteurs représentant le sommet de la technologie de l'époque, c'est-à-dire de la fin des années 1970 et du début des années 1980, voient donc le jour : UA1, héritier de la chambre multifils de Georges Charpak, et un autre, baptisé UA2.

Un autre documentaire sur la découverte des bosons W, au Cern, au début des années 1980. Ces bosons sont massifs en raison de l'existence supposée du mécanisme de Brout-Englert-Higgs. Voici quelques-unes des clés pour comprendre comment s'est déroulée leur découverte. © Cern

L'indispensable détecteur de Georges Charpak

Le 20 janvier 1983, Carlo Rubbia annonce finalement au Cern l'observation par UA1 de six événements candidats au titre de boson W. Il est suivi de très peu par Luigi Di Lella, qui, l'après-midi suivante, rapporte l'observation de quatre événements candidats repérés grâce à l'UA2.

C'est finalement le 25 janvier 1983 qu'une conférence de presse révèle que Sheldon Glashow, Abdus Salam et Steven Weinberg avaient vu juste. L'année suivante, Carlo Rubbia et Simon van der Meer reçoivent le prix Nobel de physique pour leur contribution à la découverte des particules W et Z.

Abonnez-vous à la lettre d'information La quotidienne : nos dernières actualités du jour.

!

Merci pour votre inscription.
Heureux de vous compter parmi nos lecteurs !

Cela vous intéressera aussi

LHC : comment fonctionne le plus grand accélérateur de particules ?  À cheval entre la France et la Suisse, le Grand collisionneur de hadrons permet actuellement de faire des collisions de protons à une énergie de 13 TeV (téraélectronvolts). Découvrez le fonctionnement de cet impressionnant outil en vidéo grâce au Cern.