La mesure la plus précise jamais réalisée de la masse du boson W en tension avec le modèle standard


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  • Après 10 ans d’analyses et d’examens minutieux, les scientifiques de la collaboration CDF du Fermi National Accelerator Laboratory du Département américain de l’énergie ont annoncé aujourd’hui qu’ils avaient réalisé la mesure la plus précise à ce jour de la masse du boson W, l’un des vecteurs de force de la nature. particules. En utilisant les données recueillies par le Collider Detector du Fermilab, ou CDF, les scientifiques ont maintenant déterminé la masse de la particule avec une précision de 0,01 %, soit deux fois plus précise que la meilleure mesure précédente. Cela correspond à mesurer le poids d’un gorille de 800 livres à 1,5 once.

    La nouvelle mesure de précision, publiée dans la revue Science, permet aux scientifiques de tester le modèle standard de la physique des particules, le cadre théorique qui décrit la nature à son niveau le plus fondamental. Le résultat : la nouvelle valeur de masse montre une tension avec la valeur que les scientifiques obtiennent en utilisant des données expérimentales et théoriques dans le contexte du modèle standard.

    « Le nombre d’améliorations et de vérifications supplémentaires apportées à notre résultat est énorme », a déclaré Ashutosh V. Kotwal de l’Université Duke, qui a dirigé cette analyse et est l’un des 400 scientifiques de la collaboration CDF. « Nous avons pris en compte notre meilleure compréhension de notre détecteur de particules ainsi que les progrès de la compréhension théorique et expérimentale des interactions du boson W avec d’autres particules. Lorsque nous avons finalement dévoilé le résultat, nous avons constaté qu’il différait de la prédiction du modèle standard. »

    Si elle est confirmée, cette mesure suggère le besoin potentiel d’améliorations du calcul du modèle standard ou d’extensions du modèle.

    La nouvelle valeur est en accord avec de nombreuses mesures de masse du boson W précédentes, mais il y a aussi quelques désaccords. Des mesures futures seront nécessaires pour éclairer davantage le résultat.

    « Bien qu’il s’agisse d’un résultat intrigant, la mesure doit être confirmée par une autre expérience avant de pouvoir être pleinement interprétée », a déclaré le directeur adjoint du Fermilab, Joe Lykken.

    Le boson W est une particule messagère de la force nucléaire faible. Il est responsable des processus nucléaires qui font briller le soleil et désintégrer les particules. En utilisant des collisions de particules à haute énergie produites par le collisionneur Tevatron du Fermilab, la collaboration CDF a collecté d’énormes quantités de données contenant des bosons W de 1985 à 2011.

    Le physicien CDF Chris Hays de l’Université d’Oxford a déclaré: « La mesure CDF a été effectuée au cours de nombreuses années, la valeur mesurée étant cachée aux analyseurs jusqu’à ce que les procédures soient entièrement examinées. Lorsque nous avons découvert la valeur, ce fut une surprise. « 

    La masse d’un boson W est d’environ 80 fois la masse d’un proton, soit environ 80 000 MeV/c2. Les chercheurs du CDF travaillent depuis plus de 20 ans à des mesures de plus en plus précises de la masse du boson W. La valeur centrale et l’incertitude de leur dernière mesure de masse est de 80 433 +/- 9 MeV/c2. Ce résultat utilise l’ensemble des données recueillies auprès du collisionneur Tevatron au Laboratoire Fermi. Il est basé sur l’observation de 4,2 millions de bosons candidats W, soit environ quatre fois le nombre utilisé dans l’analyse publiée par la collaboration en 2012.

    « De nombreuses expériences de collisionneurs ont produit des mesures de la masse du boson W au cours des 40 dernières années », a déclaré le co-porte-parole du CDF, Giorgio Chiarelli, de l’Institut national italien de physique nucléaire (INFN-Pise). « Ce sont des mesures difficiles et compliquées, et elles ont atteint une précision toujours plus grande. Il nous a fallu de nombreuses années pour passer en revue tous les détails et les vérifications nécessaires. C’est notre mesure la plus robuste à ce jour, et l’écart entre les valeurs mesurées et attendues persiste. »

    La collaboration a également comparé leur résultat à la meilleure valeur attendue pour la masse du boson W en utilisant le modèle standard, qui est de 80 357 ± 6 MeV/c2. Cette valeur est basée sur des calculs complexes du modèle standard qui relient étroitement la masse du boson W aux mesures des masses de deux autres particules : le quark top, découvert au collisionneur Tevatron au laboratoire Fermi en 1995, et le boson de Higgs, découvert à le Grand collisionneur de hadrons au CERN en 2012.

    Le co-porte-parole de CDF, David Toback, Texas A&M, a déclaré que le résultat est une contribution importante pour tester la précision du modèle standard. « C’est maintenant à la communauté de la physique théorique et aux autres expériences de suivre cela et de faire la lumière sur ce mystère », a-t-il ajouté. « Si la différence entre la valeur expérimentale et la valeur attendue est due à une sorte de nouvelle particule ou d’interaction subatomique, ce qui est l’une des possibilités, il y a de fortes chances que ce soit quelque chose qui puisse être découvert dans de futures expériences. »

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