Après une mesure inattendue réalisée par l’expérience CDF (Collider Detector at Fermilab) en 2022, les physiciens de l’expérience Compact Muon Solenoid (CMS) du Grand collisionneur de hadrons (LHC) ont annoncé aujourd’hui une nouvelle mesure de masse du boson W, l’une des particules porteuses de force de la nature.
Cette nouvelle mesure, qui est une première pour l’expérience CMS, utilise une nouvelle technique qui en fait l’étude la plus élaborée de la masse du boson W à ce jour. Après près d’une décennie d’analyse, CMS a trouvé que la masse du boson W est cohérente avec les prédictions, mettant enfin un terme à un mystère vieux de plusieurs années.
L’analyse finale a utilisé 300 millions d’événements collectés lors de l’exploitation du LHC en 2016 et 4 milliards d’événements simulés. À partir de cet ensemble de données, l’équipe a reconstitué puis mesuré la masse de plus de 100 millions de bosons W.
Ils ont découvert que la masse du boson W est de 80 360,2 ± 9,9 mégaélectronvolts (MeV), ce qui est cohérent avec les prédictions du Modèle standard de 80 357 ± 6 MeV. Ils ont également effectué une analyse distincte qui vérifie les hypothèses théoriques.
« Le nouveau résultat du CMS est unique en raison de sa précision et de la manière dont nous avons déterminé les incertitudes », a déclaré Patty McBride, scientifique distinguée du Laboratoire national de recherche Fermi du département américain de l’énergie et ancienne porte-parole du CMS.
« Nous avons beaucoup appris du CDF et des autres expériences qui ont travaillé sur la question de la masse du boson W. Nous nous appuyons sur eux, et c’est l’une des raisons pour lesquelles nous sommes en mesure de faire avancer cette étude de manière significative. »
Depuis la découverte du boson W en 1983, des physiciens ont mesuré sa masse dans le cadre de dix expériences différentes.
Le boson W est l’une des pierres angulaires du Modèle standard, le cadre théorique qui décrit la nature à son niveau le plus fondamental. Une compréhension précise de la masse du boson W permet aux scientifiques de cartographier l’interaction des particules et des forces, notamment l’intensité du champ de Higgs et la fusion de l’électromagnétisme avec la force faible, responsable de la désintégration radioactive.
« L’univers tout entier est un exercice d’équilibre délicat », a déclaré Anadi Canepa, porte-parole adjoint de l’expérience CMS et scientifique senior au Fermilab. « Si la masse de W est différente de ce que nous attendons, de nouvelles particules ou forces pourraient être en jeu. »
La nouvelle mesure du CMS a une précision de 0,01 %. Ce niveau de précision correspond à la mesure d’un crayon de 4 pouces de long entre 3,9996 et 4,0004 pouces. Mais contrairement aux crayons, le boson W est une particule fondamentale sans volume physique et dont la masse est inférieure à celle d’un seul atome d’argent.
« Cette mesure est extrêmement difficile à réaliser », a ajouté Canepa. « Nous avons besoin de plusieurs mesures issues de plusieurs expériences pour vérifier la valeur. »
L’expérience CMS est unique par rapport aux autres expériences qui ont effectué cette mesure en raison de sa conception compacte, de ses capteurs spécialisés pour les particules fondamentales appelées muons et d’un aimant solénoïde extrêmement puissant qui courbe les trajectoires des particules chargées lorsqu’elles se déplacent dans le détecteur.
« La conception du CMS le rend particulièrement adapté aux mesures de masse de précision », a déclaré McBride. « C’est une expérience de nouvelle génération. »
La plupart des particules fondamentales ont une durée de vie extrêmement courte. Les scientifiques mesurent donc leur masse en additionnant les masses et les moments de tout ce qui se désintègre. Cette méthode fonctionne bien pour des particules comme le boson Z, un cousin du boson W, qui se désintègre en deux muons. Mais le boson W pose un défi de taille, car l’un de ses produits de désintégration est une minuscule particule fondamentale appelée neutrino.
« Les neutrinos sont notoirement difficiles à mesurer », a déclaré Josh Bendavid, un scientifique du Massachusetts Institute of Technology qui a travaillé sur cette analyse. « Dans les expériences avec des collisionneurs, le neutrino n’est pas détecté, nous ne pouvons donc travailler qu’avec la moitié de l’image. »
Travailler avec seulement la moitié de l’image signifie que les physiciens doivent faire preuve de créativité. Avant d’effectuer l’analyse sur des données expérimentales réelles, les scientifiques ont d’abord simulé des milliards de collisions du LHC.
« Dans certains cas, nous avons même dû modéliser de petites déformations dans le détecteur », a déclaré Bendavid. « La précision est suffisamment élevée pour que nous nous préoccupions des petites torsions et courbures, même si elles sont aussi petites que la largeur d’un cheveu humain. »
Les physiciens ont également besoin de nombreuses informations théoriques, comme ce qui se passe à l’intérieur des protons lorsqu’ils entrent en collision, comment le boson W est produit et comment il se déplace avant de se désintégrer.
« C’est un véritable art que de déterminer l’impact des apports théoriques », a déclaré McBride.
Par le passé, les physiciens utilisaient le boson Z comme substitut du boson W pour calibrer leurs modèles théoriques. Bien que cette méthode présente de nombreux avantages, elle ajoute également une couche d’incertitude au processus.
« Les bosons Z et W sont frères, mais pas jumeaux », a déclaré Elisabetta Manca, chercheuse à l’Université de Californie à Los Angeles et l’une des analystes. « Les physiciens doivent faire quelques hypothèses lorsqu’ils extrapolent du Z au W, et ces hypothèses sont encore en discussion. »
Pour réduire cette incertitude, les chercheurs du CMS ont développé une nouvelle technique d’analyse qui utilise uniquement les données réelles du boson W pour contraindre les entrées théoriques.
« Nous avons pu y parvenir efficacement grâce à la combinaison d’un ensemble de données plus vaste, de l’expérience acquise lors d’une précédente étude sur le boson W et des derniers développements théoriques », a déclaré Bendavid. « Cela nous a permis de nous libérer du boson Z comme point de référence. »
Dans le cadre de cette analyse, ils ont également examiné 100 millions de traces provenant de la désintégration de particules bien connues pour recalibrer une section massive du détecteur CMS jusqu’à ce qu’il soit d’un ordre de grandeur plus précis.
« Ce nouveau niveau de précision nous permettra d’aborder des mesures critiques, telles que celles impliquant les bosons W, Z et Higgs, avec une précision accrue », a déclaré Manca.
La partie la plus difficile de l’analyse était son temps considérable, car elle nécessitait la création d’une nouvelle technique d’analyse et le développement d’une compréhension incroyablement approfondie du détecteur CMS.
« J’ai commencé cette recherche en tant qu’étudiante d’été et j’en suis maintenant à ma troisième année de postdoctorat », a déclaré Manca. « C’est un marathon, pas un sprint. »
Plus d’informations :
Mesure de la masse du boson W dans les collisions proton-proton à √ s = 13 TeV, cms-results.web.cern.ch/cms-re … MP-23-002/index.html