Illustration du modèle standard des particules
Modèle standard des particules

Eclairage sur le modèle standard des particules au travers du boson-W

Le modèle standard doit questionner ses fondements

 Le modèle standard des particules physiques fait régulièrement face à diverses difficultés. Les recherches sur le boson-W apportent un éclairage instructif sur la façon dont le modèle remet sans cesse en cause ses fondements.

Ceux-ci font l’objet de questionnements intenses, en particulier depuis la mise en évidence de son incapacité à prévoir la masse des neutrinos. Deux composantes importantes du budget énergétique de l’univers (matière sombre, énergie sombre) lui échappent également.

Parmi les coups de butoirs récents, il faut sans doute citer celui concernant les explorations autour du boson-W. Il remonte au 7 avril 2022. Le modèle standard et le boson-W ont un peu de mal à faire bon ménage.

La masse du boson-W

Une brève histoire du boson-W

L’existence du boson-W a été prédite par Glashow, Salam et Weinberg en 1968.

Sa découverte expérimentale survient en 1983 grâce aux équipes de Rubbia et van der Meer.

Le rôle du boson-W

D’après la théorie, le boson-W est le vecteur de l’interaction faible transformant les protons en neutrons et vis-versa.

Désintégration béta

La masse théorique du boson-W

Sa masse s’explique en principe via un mécanisme impliquant le boson de Higgs. La découverte du boson de Higgs remonte au 04 juillet 2012. Elle résulte des expériences ATLAS et CMS menées au CERN. Les calculs théoriques menant à la valeur de la masse du boson-W sont particulièrement compliqués. La cause en est qu’ils exigent de tenir compte des interactions avec plusieurs autres particules intermédiaires. Ils mènent à une valeur de 80,357 GeV/c2 ± 6 MeV/c2, soit environ 80 fois la masse du proton (938,272 MeV/c; rappel : 1 GeV = 1 000 MeV).

Les mesures expérimentales du boson-W

Qu’en est-il vraiment ?

  • En 2012, la masse du boson-W est mesurée expérimentalement au Tevatron (Fermilab) ; valeur trouvée : 80,385 GeV ± 16 MeV [02].
  • La collaboration LHC-b obtient 80,354 GeV/c2 ± 31,7 MeV/c2 en 2016 [01].
  • Les mesures réalisées au CERN en 2018 livrent 80,37 GeV/c2 ± 19 MeV/c2.. Elles restent compatibles avec la théorie.
  • La collaboration CDF-II (Collider Detector at Fermilab II) livre ses conclusions en 2022 après 10 années de dur labeur. Elle réanalyse les observations et les mesures réalisées au Fermilab entre 1985 et 2011. Un peu moins de quatre cents chercheurs (54 institutions et 23 pays) ont analysé plus de quatre millions d’événements attribués à la présence d’un boson-W. L’étude porte ainsi sur un échantillon quatre fois plus vaste que celui ayant permis la publication de 2012. Bilan : une précision inégalée (0,01%) et une valeur de (combinaison de diverses mesures, voir l’article [01]) : 80,433 GeV/c2 ± 9 MeV/c2 présentant un écart jugé significatif avec la prédiction issue de la théorie.

Comment interpréter les mesures expérimentales ?

A cause des écarts constatés, une confrontation avec de nouvelles mesures est espérée.

En effet, l’étude [02] ouvre la porte sur deux issues possibles :

  • Il existe de nouvelles particules rendant compte de l’écart mesuré entre la valeur théorique et la valeur expérimentale de la masse du boson-W.

Cette option est tout à fait rationnelle. La démarche consistant à attribuer une différence de masse inexpliquée à une particule inconnue a déjà été utilisée pour prédire la vraisemblable existence des neutrinos. Elle est cependant fortement critiquée par certaines équipes qui y voient un moyen de cacher les insuffisances du modèle standard.

  • Une remise en cause des fondations du modèle standard de la physique des particules.

Bien qu’elle soit beaucoup plus radicale que la précédente, la seconde alternative trouve sa justification dans la multiplication des expériences livrant des mesures éloignées des prévisions théoriques ou ne trouvant simplement aucun écho dans la théorie actuelle. Les recherches en cours sur la matière sombre illustrent ce positionnement intellectuel.

La petitesse des écarts n'est pas une information insignifiante

Les différences constatées entre le modèle théorique et la réalité physique que ce dernier est sensé décrire semblent insignifiantes à bien des égards.

Pour autant, il convient de comprendre que le modèle standard des particules se comporte un peu comme une rangée de dominos bien alignés. Une poussée inappropriée sur l’un d’entre eux peut renverser tous ceux qui sont placés en aval.

Pour ce qui concerne le modèle standard, la présence d’une erreur sur la masse d’une seule particule met en péril le crédit qui peut être accordé à tout l’édifice. Cette affirmation repose sur le fait indéniable que le calcul de la masse de l’une des particules (ici le boson-W) fait intervenir les masses des diverses particules avec lesquelles elle a interagi. Si un grain de sable vient se loger dans l’engrenage, tout le mécanisme risque de s’enrayer.

Tout comme les humains, les particules sont toutes interdépendantes les unes avec les autres. Elles échangent de l’information et de l’énergie dans un grand enchevêtrement dont nous avons toutes les peines du monde à comprendre le fonctionnement.

© Thierry PERIAT, 11 janvier 2024.

Bibliographie

[01] Measurement of the W boson mass, LHCb-PAPER-2021-024, CERN-EP-2021-170 ; arXiv:2109.01113 [hep-ex] ; CC-BY.

[02] High-precision measurement of the W boson mass with the CDF II detector; CDF Collaboration et al., Science 376, 170-176 (2022), 8 April 2022.

[03] La page Wikipédia consacrées au boson-W. 

Contributeurs de Wikipédia, "Boson W,"  Wikipédia, l'encyclopédie libre, https://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Boson_W&oldid=200329737 (Page consultée le janvier 10, 2023).