Les particules : un boson W trop lourd et tout est changé ?

C’est en paraphrasant Lamartine (un seul être vous manque et tout est dépeuplé) que je commence cette rubrique. En effet, il semble bien qu’il y ait de la panique en physique des particules.

Tout d’abord, c’est quoi le boson W ? Il existe deux catégories de particules qui ont des noms un peu barbares mais qu’il faut connaitre :
• Les fermions
• Les bosons
Les fermions sont des particules liées à la matière, ce sont tout ce que l’on connaît : les atomes et les molécules. Les bosons, sont principalement les « messagers » des forces de la nature (qui sont au nombre de 4) ; le photon est le plus connu de tous. Il existe 4 grandes forces dans la nature, de la plus faible à la plus forte :

• La gravitation (colle de l’Univers), transmetteur : le graviton, on le cherche.
• La force faible (responsable de la désintégration radioactive), transmetteur : le boson W/Z de la force faible.
• La force électromagnétique (la colle des atomes), transmetteur : le photon.
• La force forte (la colle nucléaire), transmetteur : le gluon.

Le boson W (découvert il y a 40 ans au CERN), celui qui nous intéresse aujourd’hui, est lié à la fondamentale force faible, celle qui va aider à fabriquer tous les éléments en permettant neutrons et protons de se transformer l’un en l’autre et à la radioactivité Béta, clé de la création des éléments. La force faible est la cause de l’existence du monde tel qu’il est. Tous ces éléments font partie d’un principe universel : le modèle standard de la physique des particules, où chaque paramètre est lié aux autres, c’est un cadre de règles régissant le monde des particules élémentaires. Il suffit qu’un paramètre ne soit pas en accord avec la théorie et tout s’écroule.

Le CDF (Collider Detector at Fermilab). Crédit : Fermilab

Que s’est-il passé ? Le grand accélérateur du Fermilab, le Tevatron (près de Chicago, moins puissant que le LHC du CERN), a été arrêté en 2011, mais on a continué à étudier et dépouiller ses précieuses données. Parmi ses scientifiques, ceux du CDF (Collider Detector at Fermilab), certains étaient chargé de mesurer la masse de ce fameux boson W. Travail épuisant et difficile qui nécessita de longues années de travail, les mesures reposèrent sur l’analyse de 4 millions de bosons sur cette période de temps, mais finalement ils arrivèrent au résultat final :

Masse boson W = 80,433 TeV (Tera électron volt = 1000 Mev), alors que la valeur donnée par le modèle était de :
Masse boson W modèle standard = 80,357 Tev calcul d’après les mesures effectuées sur Atlas et LHCb du LHC.

Remarque : masse en fait en eV/c2 que l’on écrit eV par commodité.

La différence : 0,1%, minime, oui, mais, il se trouve que la nouvelle mesure est précise à 0,01% près ! Alors on a un problème ! Le modèle standard (MS) est-il invalidé ? Ou est-ce une erreur de mesure ? Il semble que cela soit exclu, tous les calculs ont été fait et refait maintes fois avec le même résultat. Même un si faible écart peut remettre en cause la théorie du MS.

Beaucoup se réjouissent de cette différence, car le MS commençait à montrer ses limites. Il ne répondait pas à diverses questions en suspens, comme la matière noire, l’extrême faiblesse de la masse des neutrinos, l’énergie noire, la masse du boson de Higgs etc… Ci-dessous : les dernières mesures de la masse du boson W par la collaboration du Fermilab en rouge à la dernière ligne, comparée aux différentes mesures précédentes (SM = Standard Model = valeur donnée par le MS). Les mesures sont données avec leur marge d’erreur, on remarquera que la mesure au Fermilab est pour ainsi dire la seule qui soit nettement en dehors de la valeur admise par le MS.

 Crédit : Collaboration CDF

Jean-Pierre Martin