La masse de la particule du boson W a été trouvée par Grand collisionneur de hadrons Pour être exactement ce que c’est Formulaire standard Les physiciens des particules s’attendent à ce que ce soit le cas, ce qui contredit les résultats précédents du Laboratoire Fermi qui indiquaient la présence d’une masse différente, et donc la possibilité d’une nouvelle physique.
Bien que cette découverte renforce le modèle standard en tant que meilleure représentation du monde des particules, les scientifiques espéraient que leur modèle était en réalité erroné et que l’écart dans la masse du boson W pourrait ouvrir la voie à de nouvelles théories susceptibles d’expliquer des mystères tels que l’identité des particules. Matière noirequi représente 85 % de toute la matière univers Mais ils restent pratiquement invisibles pour nous.
Bosons Ce sont des particules fondamentales qui portent Forces de la nature. le Forte puissance Qui relie Quarks Ensemble à l’intérieur Protons et Neutrons Il est porté par un boson appelé GluonLe boson de force électromagnétique est un photon, et la force faible, responsable de la désintégration radioactive, possède trois bosons : W+, W– et le boson Z.
Mesurer les masses de ces particules est difficile, car elles ont une existence incroyablement transitoire avant de se désintégrer en d’autres particules. Ainsi, au prix de tous leurs efforts, les physiciens créent d’abord des bosons en entrant en collision avec des faisceaux de protons se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière. Vitesse de la lumière À l’intérieur d’un accélérateur de particules. Par exemple, dans le LHC, les protons entrent en collision avec une énergie totale de 13 000 milliards d’électrons-volts (eV). Lors d’une collision, les protons sont forcés de se désintégrer en d’autres particules, dont certaines sont des bosons (c’est ainsi que se forment les particules). Boson de Higgs(Le champ de Higgs, qui maintient presque tout ensemble et donne à chaque chose sa masse, a été découvert au Grand collisionneur de hadrons.) Ensuite, les bosons eux-mêmes se désintègrent également, et leur masse est mieux mesurée en combinant les masses de toutes les particules produites par les bosons en désintégration.
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Les bosons se désintègrent en particules appelées leptons (ou anti-leptons), qui sont… Électronsdes muons ou des particules tau (un lepton est défini par un spin demi-entier, soit 1/2 ou 3/2). Le boson Z se désintègre en deux autres particules appelées muons, relativement faciles à mesurer. C’est pourquoi la masse du boson Z est bien connue, avec une valeur de 91 187,6 MeV et une marge d’erreur de ±2,1 MeV.
Cependant, les bosons W+ et W– se désintègrent également en lepton (ou antilepton). NeutrinoC’est là que réside le problème.
Les neutrinos sont des particules extrêmement petites, difficiles à détecter et qui peuvent traverser les détecteurs comme des fantômes. Des milliards de neutrinos traversent même votre corps en ce moment, mais vous ne pouvez pas le savoir. C’est pourquoi il faut un kilomètre cube de glace mélangée à des tubes photomultiplicateurs à l’observatoire de neutrinos IceCube en Antarctique pour les détecter. Le LHC peut également détecter les neutrinos, mais il n’a acquis cette capacité que récemment grâce à deux détecteurs, FASER (Forward Search Experiment) et SND (Scattering Neutrino Detector). Le LHC a annoncé les premières détections de neutrinos en août 2023.
Le modèle standard prédit que la masse des bosons W+ et W– sera de 80 357 MeV, ± 6 MeV, sur la base d’une théorie combinant la force électromagnétique et la force faible, appelée « théorie électrofaible ». Cependant, en 2022, des physiciens qui ont réanalysé d’anciennes données de 2011 (produites par l’accélérateur de particules Tevatron du Fermilab dans l’Illinois, aux États-Unis) ont déterminé une masse du boson W de 80 433 MeV, ± 9 MeV. Cela a retiré la masse du boson W de la gamme du modèle standard. Si cela est vrai, cela impliquerait une nouvelle physique telle que la « supersymétrie » (qui postule que chaque particule du modèle standard a une contrepartie supplémentaire, plus massive) et la gravité quantique en anneau (qui décrit comment la structure de l’univers peut être constituée de minuscules particules). anneaux quantiques). En conséquence, le monde de la physique est devenu très enthousiasmé par ces possibilités.
Malheureusement, ce n’était pas le cas.
En 2023, l’expérience ATLAS au LHC a mesuré la masse du boson W à 80 360 MeV ± 16 MeV, ce qui est déjà cohérent avec le modèle standard – mais étant donné les découvertes intéressantes du Laboratoire Fermi, on s’est inquiété du fait qu’ATLAS comporte des erreurs systématiques non reconnues qui affectent ses mesures.
Cependant, de nouvelles mesures de la masse du boson W ont été effectuées par l’expérience Compact Muon Solenoid (CMS) au LHC, qui sont également cohérentes avec le modèle standard, produisant une masse de 80 360,2 ± 9,9 MeV. Cela correspond à seulement 1,42 × 10^–25 kilogrammes.
« Essentiellement, nous avons utilisé une balance de 14 000 tonnes pour mesurer le poids d’une particule d’une masse de 1 x 10 ^ –25 kg, soit environ 80 fois la masse d’un proton ». déclaration.
De nombreux physiciens avaient bien entendu espéré que le paradoxe de masse du boson W serait prouvé, car cela ouvrirait la porte à une nouvelle physique qui serait nécessaire pour expliquer ce paradoxe de masse. En prenant la supersymétrie comme exemple, ce concept pourrait ouvrir la voie à l’explication de la matière noire. Le principal candidat pour la matière noire à l’heure actuelle est un type de particule appelée WIMP, qui signifie Weakly Interacting Massive Particle – une particule massive à faible interaction qui s’intégrerait parfaitement dans les limites de la supersymétrie. Malheureusement, aucun partenaire supersymétrique n’a encore été trouvé pour les particules du modèle standard, et la théorie de la supersymétrie est loin d’être prouvée.
« Tout le monde espérait que nous pourrions la mesurer en dehors de la théorie, ce qui susciterait l’espoir d’une nouvelle physique », explique Bakhtis. « En confirmant que la masse du boson W est cohérente avec la théorie, nous devrons peut-être chercher une nouvelle physique ailleurs. » en étudiant également le boson de Higgs avec une grande précision.
Cependant, la confirmation de la masse du boson W ouvre la porte à d’autres choses. Par exemple, il est possible d’utiliser cette mesure de masse pour mieux juger de l’intensité du champ de Higgs, ou pour mieux comprendre la théorie électrofaible. Ces développements sont des options en raison de la manière dont le CMS a mesuré la masse du boson W : en calibrant l’énergie des muons émis avec une marge d’erreur de seulement 0,01 %, ce qui ne représente que 0,01 % de la masse totale du boson W. Demandes à immensité Plus précis qu’on ne le pensait auparavant.
« Ce nouveau niveau de précision nous permettra de traiter des mesures critiques, telles que celles impliquant les bosons W, Z et Higgs, avec une précision accrue », a déclaré la doctorante Elisabetta Manca, qui travaille sur ce projet avec Bakhtis depuis huit ans.
Ainsi, le modèle standard gagne à nouveau – mais avec la montée des mystères cosmiques comme la matière noire, Énergie sombre Même la tension de Hubble, quelque chose dans notre compréhension de la physique, devra se briser à un moment donné afin d’éclairer la voie à suivre pour le monde de la physique.
Les résultats sont décrits sur le site du CERN Site Web du CMS.
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