L’expérience CMS au CERN évalue la masse du boson W

L’expérience CMS au CERN est la dernière à avoir évalué la masse du boson W, une particule élémentaire qui, avec le boson Z, est à l’origine de la force faible, responsable d’une forme de radioactivité et initiant la réaction de fusion nucléaire qui alimente le Soleil.

À un séminaire Lors de la conférence organisée au CERN le 17 septembre, la collaboration CMS a présenté la manière dont elle a analysé les données de collision proton-proton de la deuxième période d’exploitation du Grand collisionneur de hadrons, l’accélérateur de particules phare du Laboratoire, pour réaliser sa première mesure de masse de cette particule fondamentale.

Le résultat Il s’agit de la mesure la plus précise de la masse du W réalisée jusqu’à présent au LHC, et elle est conforme à la prédiction du Modèle standard de la physique des particules et à toutes les mesures précédentes, à l’exception de la mesure de l’expérience CDF à l’ancien collisionneur proton-antiproton Tevatron du Fermilab.

Dans le modèle standard, la masse du W est étroitement liée à la force de l’interaction unifiant les forces électromagnétique et faible et aux masses du boson de Higgs et du quark top, qui limitent sa valeur à 80,353 millions d’électronvolts (MeV) avec une incertitude de 6 MeV.

La mesure de la masse du boson W avec une grande précision permet donc de vérifier si ces propriétés s’alignent ou non de manière cohérente avec le modèle standard. Si ce n’est pas le cas, la cause pourrait être de nouveaux phénomènes physiques tels que de nouvelles particules ou interactions.

Depuis sa découverte au CERN il y a environ 40 ans, la masse du boson W a été mesurée de plus en plus précisément par plusieurs expériences de collisionneurs, au CERN et ailleurs. En 2022, une valeur étonnamment élevée de sa masse mesurée par l’expérience CDF a plongé la particule dans une « crise de la quarantaine ». La masse du boson W de CDF, 80 433,5 MeV avec une incertitude de 9,4 MeV, s’écartait significativement de la prédiction du Modèle standard et des autres résultats expérimentaux, ce qui nécessitait de nouvelles études.

En 2023, la collaboration ATLAS, qui avait fourni sa première mesure de masse du boson W en 2017, a publié une mesure améliorée basée sur une réanalyse des données de collisions proton-proton du premier essai du LHC. Ce résultat amélioré, 80 366,5 MeV avec une incertitude de 15,9 MeV, concorde avec toutes les mesures précédentes, à l’exception de la mesure CDF, qui reste la plus précise à ce jour, avec une précision de 0,01 %.

L’expérience CMS a contribué à cette entreprise mondiale avec sa première mesure de la masse du boson W. Le résultat très attendu, 80 360,2 avec une incertitude de 9,9 MeV, a une précision comparable à celle de la mesure CDF et est conforme à toutes les mesures précédentes à l’exception du résultat CDF.

« L’attente des résultats du CMS est désormais terminée. Après une analyse minutieuse des données recueillies en 2016 et après avoir effectué toutes les vérifications croisées, le résultat de la masse W du CMS est prêt », a déclaré Patricia McBride, porte-parole sortante du CMS. « Cette analyse est la première tentative de mesure de la masse W dans l’environnement de collision difficile de la deuxième période de fonctionnement du LHC. Et tout le travail acharné de l’équipe a permis d’obtenir une mesure de la masse W extrêmement précise et la mesure la plus précise du LHC. »

« Les mesures de masse du boson W sont très difficiles, car elles impliquent des mesures délicates et une modélisation théorique de la production du boson W et de sa désintégration en un lepton (ici, un muon) et un neutrino qui échappe à la détection », explique Gautier Hamel de Monchenault, nouveau porte-parole du CMS.

« En exploitant la capacité du détecteur CMS à mesurer les muons avec une grande précision et en utilisant les ingrédients théoriques les plus récents et les plus avancés, dont certains ont été testés par analyse croisée, nous avons atteint ce niveau record de précision. »

Ce résultat démontre une fois de plus les performances exceptionnelles du LHC et de ses détecteurs, qui continuent de repousser les limites de la précision et soumettent le Modèle Standard et ses extensions à des tests toujours plus rigoureux. De nouvelles données issues de la troisième période d’exploitation du collisionneur et de sa mise à niveau, le LHC à haute luminosité, devraient encore repousser ces limites.