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Le 7 avril de cette année, dans un article publié dans Science, des chercheurs de la collaboration Collider Detector at Fermilab (CDF) ont analysé dix années de données et ont annoncé qu’ils avaient fait une détection précise de la masse du soi-disant boson W et qu’il ne correspond pas à la valeur attendue des estimations utilisant le modèle standard et les mesures précédentes. Si cela était confirmé par d’autres expériences, cela serait un signe de l’incomplétude, voire de l’inexactitude, du modèle standard de la physique des particules.
Qu’est-ce que le boson W et pourquoi un écart dans sa masse est-il si important ?
Le boson W est une particule élémentaire qui joue un rôle important dans la médiation des interactions nucléaires faibles. La force nucléaire faible est l’une des quatre interactions fondamentales entre les particules de matière en physique, les autres étant l’interaction électromagnétique, l’interaction nucléaire forte et les interactions gravitationnelles. En électrodynamique quantique, la théorie qui décrit les interactions électromagnétiques, le photon est la particule qui médie l’interaction – par exemple, les particules chargées échangent un photon lorsqu’elles interagissent. Dans le cas des interactions faibles, il existe trois de ces «bosons de jauge» – les particules W + (W-plus), W- (W-moins) et Z. Contrairement au photon, les W-plus et W-moins sont chargés et en échangeant de tels bosons, un neutron peut se transformer en proton, par exemple. Cela aide à la transmutation des éléments. Le boson W contribue aux interactions qui font que le Soleil brûle et produit de l’énergie.
Inspirés par le succès de l’électrodynamique quantique, Sheldon Glashow, Abdus Salam et Steven Weinberg ont développé la théorie «électrofaible» similaire mais plus générale dans laquelle ils ont prédit ces trois particules et la manière dont elles interviennent dans les interactions faibles. Ils ont reçu le prix Nobel pour leurs efforts en 1979. Le boson W a été découvert pour la première fois au CERN, situé à la frontière franco-suisse. Contrairement au photon, qui est sans masse, les bosons W sont assez massifs, ce qui fait que la force qu’ils médient – la force faible – est de très courte portée.
Le modèle standard de la physique des particules a très bien réussi à prédire le comportement des particules élémentaires, depuis environ 60 ans maintenant, depuis sa création. Il a prédit l’existence du boson de Higgs qui a été découvert, également au CERN en 2012. Cependant, il existe des lacunes flagrantes – le SM ne décrit pas la gravité et n’a pas la place pour inclure des particules de matière noire. La dernière découverte selon laquelle la masse du boson W n’est pas en accord avec la valeur autorisée par le modèle standard serait une autre faille dans la théorie. Cette découverte du Laboratoire Fermi attend d’être confirmée par d’autres expériences majeures.
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