Reconstruction par ordinateur de la désintégration d'un boson Z0 en un électron et un positron enregistrée par le détecteurs UA1 au Cern au début des années 1980. Il s'agit là de la première détection d'un Z0 par UA1. © UA1/Cern
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Boson Z0

DéfinitionClassé sous :Physique , cern , théorie électrofaible

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Le boson Z0 est une particule considérée comme élémentaire et cousine du photon, sauf qu'il est massif et se désintègre rapidement car il est instable. C'est aussi un cousin du boson W qui lui est en plus chargé alors que le "0" de Z0 indique qu'il est neutre.

Les particules Z0, W+ et  W- ( et bien sûr le photon) sont responsables des forces dites « électrofaibles » entre quarks et leptons dans le modèle standard, les forces découlant d'une théorie unifiée des interactions électromagnétiques et nucléaire faibles. Elles permettent une description fine de la radioactivité bêta et des processus de nucléosynthèse qui font briller le Soleil et les étoiles sur la séquence principale. Elles permettent aussi une description de la formation des étoiles à neutrons accompagnant les supernovae de type SN II.  Les forces dont son responsables les bosons Z et W sont à courte portée et ne sont même pas sensible en dehors d'une région de l'espace de la taille d'un proton ou d'un neutron. L'intensité de ces forces apparait comme nettement plus faible que la force électromagnétique (pour en comprendre la vrai raison voir la vidéo du physicien ci-dessous).

Le physicien Don Lincoln nous explique les mystères de la force nucléaire faible. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Fermilab

La genèse de la théorie du boson Z0 et sa découverte

En fait, l'existence des boson Z et W avait été prédite presque dix ans avant la publication de la fameuse théorie des forces électrofaibles de Glashow-Salam-Weinberg dans trois 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) concernait le boson W, 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. Leite Lopes avait lui de son côté prédit l'existence du boson Z0 justement.

Tout comme la masse du boson W, celle du boson Z0 résulte de l'existence du fameux boson de Brout-Englert-Higgs basé sur l'existence du champ de 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. La découverte du Z0 c'est faite peu après la même année mais à vrai dire on avait déjà des indications indirectes de son existence grâce à la découverte des courants neutres avec les neutrinos en 1973. Sheldon Glashow, Abdus Salam et Steven 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 s'est alorts 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 devint possible d'atteindre les énergies nécessaires pour créer suffisamment de bosons W et Z. 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.

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

L'indispensable détecteur de Georges Charpak

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 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

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. La découverte du boson Z0 suivra quelques temps plus tard. 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.

Un Z0 est un boson, c'est la particule qui transmet l'interaction faible par courant neutre. Le nom Z vient de « zéro » car sa charge électrique est nulle. C'est un partenaire des bosons W+ et W- qui servent de médiateurs aux processus de désintégration radioactive.

La force faible est aussi forte que la force électromagnétique, mais elle est appelée faible en raison de son influence limitée par la masse des bosons Z et W. Leur masse limite la portée de la force faible à environ 10-18 mètres, et elle disparaît complètement au-delà du rayon d'un seul proton.

Origines du Boson Z

Dans les années 1990, les accélérateurs du Stanford Linear Accelerator Center et du CERN (Centre Européen de la Recherche Nucléaire) ont produit 12 millions de ces bosons Z dans un cadre contrôlé et ont étudié les désintégrations du Z dans les moindres détails. Le Boson Z se décompose en paires de tous les types de quarks et de leptons, à l'exception du quark supérieur lourd.

Ces expériences ont permis de tester avec une grande précision la théorie électrofaible et les propriétés des quarks et des leptons. Ces expériences donnent des informations de haute précision sur le porteur des interactions fortes.

Recherches autour du Boson Z

À la fin des années 1970, le CERN a converti ce qui était alors son plus grand accélérateur, le Super Synchrotron à protons, pour qu'il fonctionne comme un collisionneur proton-antiproton, dans le but de produire directement les bosons W et Z. Les deux types de particules y ont été observés pour la première fois en 1983. Les bosons ont ensuite été étudiés plus en détail au CERN et au Fermi National Accelerator Laboratory aux États-Unis.

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