La mesure la plus précise à ce jour du boson W ébranle les foundations de la physique des particules › Geeky News

C’est un véritable bouleversement qui vient de s’operar dans notre compréhension du fonctionnement de l’Univers. After 10 years of measurements and research at Fermilab (States-Unis), the masse du boson W, une fundamentale en physique des particulates, notamment responsible for radioactivity, was revealed to be better than expected by the Model Standard — cadre théorique de la physique qui décrit la nature à son le plus fundamentale. In some, the practice does not confirm absolutely pas the theory. Une nouvelle voie s’ouvre dans notre compréhension du domaine subatomice.

Le boson W, prédit dans les années 1960 et découvert en 1983, est un élément particulier de médiation de l’interaction faisable – l’ensemble des quatre forces qui régulent le comportement de la matière dans notre univers. Il transforme les protons en neutrons et inversement. On peut considérer le boson W, dans le cadre du modèle électrofaible unifiant force nucléaire faible et force électromagnétique, comme un cousin du photon. Elle est à la base de la radioactivité et, en même temps, des réactions de fusion nucléaire, comme les cellules qui favorisent le soleil et toutes les étoiles. La masse est contraire à d’autres paramètres observables, comme la charge des électrons et les masses d’autres particules, comme la cellule du boson de Higgs.

Toutes ces particules et les forces se retrouvent dans un exercice d’équilibre illustré par le Model Standard. Connaître la masse du Boson W avec précision est crucial pour répondre à l’exactitude de la solidité des prédictions jusqu’ici recevables. Or, ce dernier étant massif et instable, il est difficile de croire aux collisions du laboratoire et de l’observateur direct, mais il se désagrège trois rapidement.

From son côté, le Modèle Standard to été achevé in 2012, lorsque le plus grand accélérateur de particles du monde, le Large Hadron Collider (LHC) du laboratoire européen de physique des particulates CERN, a découvert sa dernière pièce manquante, le Higgs boson , dont l’existence est prédite depuis longtemps. The theory has compte de chaque interaction of particles vue jusqu’à present, mais elle souffre de lacunes évidentes. The model comprises three forces — electromagnetism, forte et faible — mais omet la gravité. Il ne contient pas non plus de matière noire, the invisible substance that constitutes 85% of the matière de l’univers.

Dans ce contexte, et pour déterminer avec plus de précision la masse du boson W, Ashutosh Kotwal, un physicien de l’Université Duke, avec près de 400 scientifiques, ont analysé, sur 10 ans, quatre million de bosons W candidates sur un « ensemble de données d’environ 450,000 milliards of collisions ». Leur découverte est publiée dans la revue Science.

Surpoids pour un élément particulaire

Après sa découverte en 1983, d’après mes expériences, j’ai calculé que le boson W ne pesait que 85 protons. Plus sa masse exacte a été difficile à quantifier : la première estimation expérimentale avait des marges d’erreur de 5 % ou plus. Ces mesures sont toutes largement concordantes, une confirmation seulement apparente de la validité du Modèle Standard. La masse généralement acceptée pour le boson W est de 80,379 GeV/c², et bien que cela soit possible, la nouvelle valeur est la plus précise du moment, ce qui équivaut à mesurer le poids corporel à plus de 10 grammes.

Plus précisément, ils sont fournis par le Collider Detector du Fermi National Accelerator Laboratory (CDF), un détecteur de particules propulsé par le collisionneur Tevatron, qui a fonctionné au Fermilab de 1984 à 2011. Comme le LHC du CERN, en Europe (avec l’autorisation de ‘ identifiant le boson de Higgs), il permet la collision de particules à des vitesses phénoménales, qui présentent, en se brisant, les éléments qui les composent.

Ces collisionneurs produisent donc des bosons W en écrasant des particulates à haute énergie. The experiences generally detected them for disintegration in a muon or an electron, plus a neutrino. Le neutrino s’échappe du detector sans laisser de trace, tandis que l’electron ou le muon laissent des traces conspicuous. Lords of disintegration, the majeure partie of the masse d’origine du boson W is transformed into énergie des nouvelles particules. If the physicians pouvaient mesurer cette énergie, et la trajectoire de toutes les particles de disintegration, ils pourraient immédiatement calculate la masse du boson W qui les a produites. More sans pouvoir suivre le neutrino, ils ne peuvent pas dire avec certitude quelle partie de l’energie de l’electron ou du muon provient de la masse du boson W, et laquelle provient de sa quantité de mouvement.

Image de synthèse d’une collision de particules avec le détecteur CDF du Laboratoire Fermi pendant qu’un boson W se désintègre en un positon (pavé magenta, fond blanc) et un neutrino invisible (flèche jaune). © Laboratoire Fermi/Photothèque scientifique

After a decade of work, Ashutosh Kotwal et ses 397 collaborateurs du CDF ont discovered that the W boson is a mass of 80 443.5 megaelectronvolts, soit 86 fois celle d’un proton. The measure differs from the predicted mass of September fois l’incertitude experimentale. Ashutosh Kotwal souligne, dans un communiqué: «Nous pensons qu’il ya un index fort dans cette mesure particulière sur ce que la nature pourrait nous réserver».

Bien que la différence entre la prédiction théorique et la valeur expérimentale soit inférieure à 0,09 %, elle est nettement supérieure aux marges d’erreur du résultat, qui sont inférieures à 0,01 %. La découverte est également en désaccord avec certaines autres mesures de la masse. Il est venu avec une autre équipe pour confirmer le résultat, qui pourrait provenir de trois expériences au LHC, via le détecteur Compact Muon Solenoid (CMS). Harry Cliff, de l’Université de Cambridge, a déclaré : « C’est le seul collisionneur avec une énergie suffisamment élevée pour créer des bosons W ».

Représentation graphique des différentes masses attribuées à un boson W. © Bickel/Science

Amélioration des analyses, clé de la découverte

Cette decouverte est plutôt le résultat d’una melioration constant des techniques d’analyse des données, as well as d’une meilleure comréhension, por les chercheurs, de la physique des particles, du behavior des protons et des antiprotons dans les collisions. Le Pr Kotwal, co-author of l’étude, explains : « Beaucoup de techniques pour atteindre ce genre de précisions que nous n’avions même pas apprises en 2012 ».

Aussi, l’équipe a calculé l’énergie de l’interrupteur de désintégration d’électrons, mesurant le fait que la trajectoire est déformée par un shampooing magnétique. Une laborieuse avancée, au cours de la dernière décennie, a été d’améliorer la résolution des trajectoires d’environ 150 microns à moins de 30 microns, explique Kotwal. Après avoir cartographié la distribution des énergies des électrons, l’équipe a calculé la masse du boson W qui correspond à la myriade de données : 80 433 mégaélectronvolts (MeV), avec une marge d’erreur de 9,4 MeV.

Néanmoins, the physicists of the LHC ont précédemment mi en évidence les failles du program utilisé par CDF, appelé Resbos, alors qu’una itération améliorée exists. Mais Kotwal souligne que les chercheurs du CDF ont choisi la technique originale longtemps à l’avance et qu’il aurait été erroné de changer de technique pour faire converge le résultat avec la théorie. The discovery remains donc à confirmer par d’autres données.

Un nouveau candidat à la longue liste des anomalies

If the result is confirmed, it could reveal other unexplained anomalies. L’année dernière, the physiciens ont detected one part of the divergences in the magnetic properties of the particle element appelée muon, et d’autre part, des réactions différentes à cells attendues du bottom quark, another particule élémentaire.

Pour les possibilités révélées à l’heure actuelle par les experts pour expliquer les anomalies : la supersymétrie (qui prédit une particule partenaire à chacune des particules du Modèle Standard), l’influence de particules inconnues de type boson de Higgs ou encore cellule de particules du « secteur sombre » — soit la famille de particules que constitueraient entre autres la matière noire.

Florencia Canelli, physicienne expérimentale des particules à l’Université de Zürich, en Suisse, déclare : « [La mesure] est extrêmement excitant et [représente] un résultat vraiment monumental dans notre domaine». Consequently, if it is confirmed by other experiences, it is pourrait s’agir de la premiere brèche majeure dans le Modele Standard de la physique des particulales. C’est ainsi que le Pr Kotwal conclut : « Cette découverte pourrait trahir l’existence de nouvelles interactions ou de nouvelles particules, que les expériences d’aujourd’hui ne salvant pas encore révéler. Nous suivons le chemin, sans negliger aucune piste. Nous finirons donc par comprehend ».

Nous devons donc nous armer de patience pour avoir la confirmation ou du moins espérer comprehend une petite partie du fonctionnement de notre univers.

Science