Voici une représentation des traces laissées par les particules créées lors des collisions de protons dans le LHC de Genève, pour l’expérience ATLAS. En juillet 2021, ATLAS a annoncé la première observation de trois bosons W créés simultanément. Image : Expérience ATLAS; 2021 CERN, pour la Collaboration CMS
Le boson W, une particule élémentaire, vient semer la pagaille dans les équations des physiciens.
L’ annonce du Fermilab, en avril dernier, a eu l’effet d’une bombe. Une bombe minuscule pour le commun des mortels, mais qui pourrait faire voler en éclats le monde bien rangé de la physique des particules. Après 10 ans de calculs, le centre de recherche américain a dévoilé dans la revue Science la valeur de la masse d’une particule élémentaire, le boson W, avec deux fois plus de précision que ce qui était connu précédemment.
Le hic, c’est que cette masse n’est pas celle à laquelle on s’attendait. De fait, le boson W est légèrement plus lourd que ce que prévoit la théorie. « C’est une sorte de désaccord, ou plutôt une tension, entre la valeur mesurée et la valeur prédite par nos équations. C’est très intrigant », commente Brigitte Vachon, professeure au Département de physique de l’Université McGill.
Pour prendre la mesure de cette discordance, il faut revenir sur quelques notions de base et notamment sur le « modèle standard » utilisé pour décrire l’univers subatomique (voir encadré plus bas). Ce cadre théorique formulé dans les années 1970 se résume facilement. Il stipule, d’une part, que toute la matière est faite de particules fondamentales et, d’autre part, que ces particules interagissent entre elles en échangeant d’autres particules (les particules de matière sont les fermions ; les particules d’interaction, les bosons). Au total, on compte ainsi 12 briques élémentaires qui interagissent par le biais de trois forces : la force électromagnétique, l’interaction forte et l’interaction faible. Les prédictions du modèle standard ont toutes été vérifiées expérimentalement… et elles se sont avérées jusqu’ici étonnamment justes.
Le boson W, découvert en 1983, est un membre important de cette ménagerie. « Il transmet l’interaction faible, une force responsable de la radioactivité et qui régule la production d’énergie dans le Soleil », indique Yves Sirois, chercheur en physique des hautes énergies au Centre national de la recherche scientifique, en France. Grâce à d’anciennes expériences menées dans divers accélérateurs de particules, la masse du boson W était à peu près connue : de l’ordre de 80 fois celle du proton.
Le détecteur CMS, au LHC, est ici en cours de maintenance, avant d’être remis en service pour la troisième phase de prises de données. On espère qu’il apportera de nouvelles estimations de la masse du boson W. Image: Expérience ATLAS; 2021 CERN, pour la Collaboration CMS
Mais cette masse, on peut aussi la « deviner » de façon purement théorique. « Le modèle standard est une sorte de toile mathématique, et les valeurs qui y figurent sont interreliées », reprend Brigitte Vachon. Ainsi, la masse du boson W est délimitée par d’autres paramètres, explicitement les masses du quark top et du boson de Higgs. On peut donc prédire l’une en connaissant les deux autres. Or, les masses du quark top et du boson de Higgs sont désormais bien établies grâce entre autres au Grand collisionneur de hadrons (LHC), à Genève, où ce dernier boson a été officiellement découvert en 2012. Si bien qu’on a une idée précise de ce à quoi devrait ressembler le boson W s’il obéit au modèle standard.
C’est justement là que ça cloche. Les 400 chercheurs de la collaboration Collider Detector at Fermilab ont réanalysé les données collectées par leur accélérateur de protons et d’antiprotons entre 2001 et 2011 (date de son arrêt définitif). Ces données avaient déjà permis d’estimer la masse du boson W en 2012, mais pas assez clairement… Pour gagner en précision, les physiciens ont décortiqué quatre fois plus de données, affiné leur connaissance du détecteur, pris en compte la position de chaque câble, tout recalculé et tout revérifié, maintes fois, pendant 10 ans ! « Une affirmation extraordinaire nécessite une preuve extraordinaire », a justifié un porte-parole du groupe lors de la grande annonce.
Le bilan de ce travail de moine ? La masse du boson W, mesurée avec une précision de 0,01 %, est de 80 433 méga-électronvolts (MeV), alors que la valeur anticipée par le modèle standard est de 80 357 MeV. Statistiquement, cela correspond à une différence de sept écarts types. Une broutille ? Pas du tout. « Toutes les mesures en physique sont sujettes à une marge d’erreur, à une incertitude. Une différence d’un écart type a 68 % de chances de survenir par hasard. Par contre, une déviation de sept écarts types a très, très peu de chances de se produire par hasard », décrypte John Conway, professeur de physique à l’Université de Californie à Davis et signataire de l’article. Autrement dit, on est fort probablement devant quelque chose de bien réel.
« Si c’est vérifié, ce sera une découverte absolument énorme. Cela veut dire qu’il y a quelque chose derrière le modèle standard, une nouvelle physique qui vient influer sur les masses des particules », s’enthousiasme Yves Sirois. Cette « nouvelle physique », rappelons-le, est le Graal des chercheurs. Car le modèle standard a beau être une construction formidable, il est incomplet. Il fait par exemple l’impasse sur la matière noire, l’asymétrie matière-antimatière dans l’Univers, l’origine de la masse des neutrinos, etc. Des « détails » qu’il est franchement dérangeant de laisser inexpliqués.
Image: Fermilab
Une série d’accrocs
Ces nouveaux résultats sont d’autant plus intéressants qu’ils s’ajoutent à plusieurs autres fissures du modèle standard récemment mises au jour, explique Brigitte Vachon. « Avec l’augmentation de la précision des mesures dans plusieurs expériences, on voit apparaître des points de tension un peu partout. »
Ainsi, en 2021, une équipe du Fermilab avait déjà trouvé un décalage entre observations et théorie, détaillé dans les Physical Review Letters, concernant une autre particule nommée muon. Ce cousin massif de l’électron agit comme un minuscule aimant et, après plus de 15 ans de suspense, les chercheurs ont confirmé que l’une de ses propriétés magnétiques s’écarte légèrement de la prédiction théorique. Un désaccord de 0,0025 %, mais qui a moins d’une chance sur 40 000 d’être dû au hasard…
Pour autant, la communauté reste prudente. Plusieurs anomalies de ce type se sont révélées des pétards mouillés par le passé. Car les sources d’erreurs sont multiples. D’abord, évaluer la masse d’une particule est loin d’être simple et, à ce chapitre, le boson W est particulièrement contrariant (voir l’encadré plus bas). Ensuite, les équations sont elles-mêmes sujettes à caution. « Les prédictions théoriques de la masse du boson W dépendent des résultats obtenus au LHC, à Genève, car c’est nous qui fournissons les mesures des masses du boson de Higgs et du quark top », précise Yves Sirois, membre d’une des expériences du LHC qui ont permis la découverte du boson de Higgs.
« Nous connaissons ces masses avec une grande précision, mais nous continuons d’affiner nos mesures. Et nous allons aussi mesurer directement la masse du boson W pour confirmer de façon indépendante la mesure du Fermilab », indique le chercheur. Il est optimiste, alors que le LHC vient d’être « rallumé » pour une troisième phase de prises de mesures. « Dans un an, nous devrions avoir des résultats préliminaires et dans trois ou quatre ans, à la fin de cette troisième phase, nous aurons la même précision dans les résultats que le Fermilab. »
De quoi confirmer, peut-être, qu’il manque bel et bien un ou plusieurs ingrédients dans le modèle standard. Quant à la nature de cette mystérieuse physique manquante… elle reste pour l’instant très floue. « La déviation que nous avons observée pourrait être expliquée par un large éventail de nouvelles théories, et ce résultat ne nous dit pas lesquelles. Notre meilleur espoir est de trouver des preuves de l’une d’entre elles dans les expériences du LHC », mentionne John Conway, qui travaille aussi à cet accélérateur.
À partir de 2029, le LHC passera en effet dans une phase dite de « haute luminosité », qui permettra d’exploiter la structure au maximum en augmentant le nombre de collisions de protons. De quoi observer des phénomènes très rares et, croisons les doigts, découvrir des particules inconnues qui viendraient expliquer l’inexplicable. « Plus nous relèverons d’anomalies, plus nous aurons d’indices pour nous orienter vers une théorie plutôt qu’une autre », détaille Brigitte Vachon.
En attendant, la masse improbable du boson W a mis les cerveaux des théoriciens en surchauffe. « Ils soumettent des articles tous les jours ; je ne les ai même pas comptés tellement il y en a ! » s’amuse la physicienne. Le boson W a décidément tout d’une petite bombe.
Images : Expérience ATLAS; 2021 CERN, pour la Collaboration CMS, Fermilab
L’évanescent boson W
Pour illustrer la précision avec laquelle ils ont estimé la masse du boson W, les chercheurs du Fermilab ont utilisé cette analogie : c’est comme s’ils avaient pesé un gorille de 363 kg avec une précision de 42,5 g. Sauf qu’on ne dépose pas un boson W sur une balance ! « C’est très difficile de mesurer la masse du boson W. Il y a beaucoup de sources d’erreurs potentielles », indique d’emblée Yves Sirois, physicien pour l’expérience CMS au Grand collisionneur de hadrons.
Il faut savoir que les particules élémentaires sont presque toutes instables, à l’exception de l’électron, du photon et des neutrinos. Dans les collisionneurs, on fait s’entrechoquer violemment des protons qui, grâce à leur énergie, donnent naissance à toutes sortes de particules, dont parfois un boson W. Notons qu’il faut 10 millions de collisions pour produire un seul éphémère boson W. Au Fermilab, la nouvelle analyse de la masse du boson W s’est fondée sur des milliers de milliards de collisions.
Mais ces nouvelles particules disparaissent aussitôt qu’elles sont créées, se désintégrant en entités plus stables. Impossible, donc, d’apercevoir directement la trace d’un boson de Higgs ou d’un boson W, par exemple, dans un détecteur. Ce qu’on observe, ce sont les particules plus légères qui résultent de leur désintégration. Un peu comme les miettes d’une biscotte dont on se servirait pour reconstituer, patiemment, la biscotte initiale et trouver sa forme…
« Le boson W se désintègre en un neutrino accompagné d’un électron ou d’un muon. Or, les neutrinos sont indétectables. On utilise donc une particule tierce, le boson Z, pour corriger les calculs », précise Yves Sirois. C’est donc dire que les scientifiques n’ont que la moitié des miettes pour remonter à la source… D’où les années de vérifications prudentes avant le dévoilement des résultats.
