Il y a presque 40 ans, le Cern annonçait la découverte du boson W. Clé de voûte du Modèle standard de la physique des particules, sa masse est donnée par l'existence du boson de Brout-Englert-Higgs. Celle-ci vient d'être évaluée avec une précision record par les membres de la collaboration qui utilisaient le détecteur CDF du défunt collisionneur de protons et d'antiprotons aux États-Unis, le Tevatron. Elle défie la physique connue, ce que pourrait bientôt confirmer le LHC dans un futur proche.

Cela vous intéressera aussi

[EN VIDÉO] 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.

« A bolt out of the blue », c'est une expression anglo-saxonne que l'on pourrait traduire par « un éclairéclair tombant d'un ciel bleu » pour décrire l'annonce faite aujourd'hui par les membres de la collaboration CDF du Fermilab via un article dans Science. Le Collider Detector at Fermilab (CDF), littéralement « Détecteur pour collisionneur au Fermilab » n'existe plus depuis plus d'une décennie car il a été arrêté en même temps que le Tevatron le . Ce collisionneur de protonsprotons et d'antiprotonsantiprotons ne pouvait alors plus  être en compétition avec le LHC qui permet de faire des collisions à plus de 10 TeV entre des protons, collisions produisant bien d'autres particules par conversion de l'énergieénergie en massemasse de ces particules. En effet, le record en énergie des collisions au Tevatron, qui était situé tout proche de Chicago, n'était que de 1,96 TeV (rappelons que dans l'unité de masse fournie par la relation d'EinsteinEinstein pour l'énergie, 1 TeV permet de produire environ 1.000 protons, la masse d'un proton étant d'environ 938 MeV/c2.).

Le Tevatron était entré en service au début des années 1980 et il avait sans cesse été amélioré, permettant déjà en novembre 1986 de faire des collisions à 1,8 TeV. Comme les protons sont constitués de quarksquarks et de gluonsgluons, tout comme les antiprotons, les collisions individuelles se font en réalité au niveau de ces composants, de sorte qu'une énergie de 1,8 TeV est répartie entre les particules constituantes. Or pour produire une particule d'une masse donnée, par exemple plus lourde que toutes celles découvertes à ce jour, il faut disposer de suffisamment d'énergie pour des collisions entre particules constituantes des protons. La probabilité de production d'une particules dépend de plus de l'énergie de collision.

Le Tevatron avait permis la découverte du quark topquark top en 1995 et il était déjà en mesure de partir à la chasse au boson de Brout-Englert-Higgs et aux particules de matière noirematière noire, prédites par la supersymétriesupersymétrie par exemple. Ainsi, l'un des deux grands détecteurs équipant le TeVatron, CDF donc, pouvait chasser ces particules dès 1985.

Une vue du détecteur CDF, au Fermilab, où avaient lieu les collisions de faisceaux de protons et d'antiprotons. © Fermilab
Une vue du détecteur CDF, au Fermilab, où avaient lieu les collisions de faisceaux de protons et d'antiprotons. © Fermilab

Une violation spectaculaire de la physique connue

En fait, on peut chasser de la nouvelle physiquephysique soit directement, en tentant de créer de nouvelles particules, soit indirectement, en mesurant des anomaliesanomalies, des écarts entre des prédictions théoriques et des mesures par exemple de masses de particules connues, de leur moment magnétique (on peut citer la question toujours ouverte de celui du muon), de certains taux de réactions produisant des particules là aussi connues.

Et justement, les membres de la collaboration CDF, qui contient des centaines de physiciensphysiciens de par le monde, ont continué à analyser les données collectées par CDF jusqu'à sa fermeture et qui concernent la masse du bosonboson W.

Futura avait déjà parlé de ce boson dans les précédents articles ci-dessous auxquels nous vous renvoyons. Mais on peut rappeler rapidement que ce cousin lourd et chargé du photonphoton intervient dans les réactions avec la force nucléaire faibleforce nucléaire faible responsable de la radioactivitéradioactivité bêta qui chauffe la Terre via des isotopesisotopes radioactifs, mais prend part également aux réactions thermonucléaires qui font briller le SoleilSoleil.

Atlas, l’un des deux détecteurs polyvalents du Grand collisionneur de hadrons (LHC). © LHC
Atlas, l’un des deux détecteurs polyvalents du Grand collisionneur de hadrons (LHC). © LHC

Le LHC, avec ses détecteurs géants Atlas et CMSCMS, a lui aussi permis de produire des bosons W et de les étudier mais, si à terme il permettra d'aboutir à des conclusions plus précises et plus robustes que dans le cas du Tevatron avec CDF, le volume de données collectées et déjà analysées ne permet pas encore de faire mieux que dans le cas de CDF. Et c'est là qu'une surprise est arrivée !

Dans le cadre du Modèle standardModèle standard de la physique des particules, la masse d'un boson W est un paramètre libre qui doit être fixé par une nouvelle physique. Toutefois, sa valeur est contrainte par celles d'autres paramètres dans les équationséquations comme la masse du boson de Brout-Englert-Higgs et la charge électrique et les masses des autres particules comme les électronsélectrons et les quarks.

Il s'est finalement avéré que la masse mesurée aujourd'hui avec une précision de 0,01% , et qui vaut 80,433 +/- 9 MeV/c2, est en désaccord avec ces contraintes et ce avec une valeur de 7 sigma, comme disent les physiciens dans leur jargon (des explications sur ces sigma se trouvent dans la vidéo de la physicienne Nathalie Besson, ci-dessous).


Pour vous permettre de suivre le suspense des avancées du LHC, une chercheuse de l’expérience Atlas vous propose de mieux appréhender l’interprétation statistique des mesures. Qu’est-ce qu’une « fluctuation statistique » ? Qu’entend-on par 2, 3 ou 5 sigma ? © CEA Recherche

Un tel désaccord est énorme, car il exprime le fait qu'il est extrêmement improbable que le signal enregistré dans le détecteur soit ce qu'on appelle un bruit statistique dû au hasard, tout comme le fait que parfois un nuagenuage semble prendre la forme d'un animal ou d'un objet. La probabilité que ce soit une fluctuation statistique est en effet d'environ 1 sur 390 milliards !

La prudence s'impose, on a bien pensé pendant un moment que l'on avait découvert des neutrinos voyageant plus vite que la lumière. Mais si tel est bien le cas, l'anomalie de la masse du boson W pourrait trahir l'existence dans les effets quantiques déterminant la masse de la présence de nouvelles particules, comme celles prédites par la supersymétrie ou la théorie des supercordesthéorie des supercordes. Il s'agirait notamment de particules trop lourdes pour avoir été produites facilement dans les précédentes collisions au LHC.

Le LHC va bientôt redémarrer et il sera encore perfectionné dans les années à venir avec des progrès dans la luminosité des faisceaux. La luminositéluminosité est un facteur important car elle décrit la fréquence des collisions. Si une réaction intéressante possible aux énergies du LHC est peu probable, il faut augmenter le nombre de collisions par an pour avoir une chance d'observer cette réaction dans une vie humaine au LHC. Les analyses des données qu'il a déjà collectées sont aussi toujours en cours, elle pourrait confirmer les conclusions tirées des données de CDF. L'idéal serait aussi que le LHC produise effectivement des particules détectables d'une nouvelle physique.

 

Le saviez-vous ?

Le Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) fut fondé en 1967 en tant que National Accelerator Laboratory, puis fut renommé en l'honneur de Enrico Fermi en 1974. C'est un laboratoire spécialisé dans la physique des particules des hautes énergies situé à Batavia, près de Chicago, dans l'État de l'Illinois (États-Unis). Pendant longtemps son directeur fut Leon Max Lederman (15 juillet 1922 - 3 octobre 2018) un physicien expérimental états-uniens qui a reçu le prix Nobel de physique en 1988, avec Melvin Schwartz et Jack Steinberger, pour ses recherches sur les neutrinos. Lederman est né à New York de parents qui étaient des immigrants juifs ukrainiens de Kiev et d'Odessa.

 


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

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 15/02/2018

Il y a presque trente-cinq ans, le CernCern 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 leptonsleptons dans le modèle standard. Il permet une description fine de la radioactivité bêtabêta et des processus de nucléosynthèsenucléosynthèse qui font briller le Soleil et les étoilesétoiles sur la séquence principaleséquence principale. Il permet aussi une description de la formation des étoiles à neutronsétoiles à neutrons accompagnant les supernovaesupernovae de type SNSN 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 FeynmanRichard 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 gestationgestation 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
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 noireénergie 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.


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 Higgsboson 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 GlashowSheldon 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
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 neutrescourants 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 ClineCline, 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
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 constructionconstruction de détecteurs géants, couplés à des ordinateursordinateurs. 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 SalamAbdus Salam et Steven WeinbergSteven 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.