Des physiciens de la collaboration ATLAS ont mesuré la largeur du boson W – le porteur électriquement chargé de la force faible – au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN.
Vue d’un événement de collision ATLAS au cours duquel un boson W candidat se désintègre en un muon et un neutrino ; les traces reconstruites des particules chargées dans la partie interne du détecteur ATLAS sont représentées par des lignes orange ; les dépôts d’énergie dans les calorimètres du détecteur sont représentés par des cases jaunes ; le muon identifié est représenté par une ligne rouge ; l’impulsion transversale manquante associée au neutrino est représentée par une ligne pointillée verte. Crédit image : ATLAS / CERN.
La découverte du boson de Higgs en 2012 est devenue la dernière pièce manquante du puzzle du modèle standard.
Pourtant, cela laissait des questions persistantes. Qu’y a-t-il au-delà de ce cadre ? Où sont les nouveaux phénomènes qui permettraient de résoudre les mystères restants de l’Univers, comme la nature de la matière noire et l’origine de l’asymétrie matière-antimatière ?
Un paramètre qui pourrait donner des indices sur de nouveaux phénomènes physiques est la largeur du boson W.
La largeur d’une particule est directement liée à sa durée de vie et décrit comment elle se désintègre en d’autres particules.
Si le boson W se désintègre de manière inattendue, par exemple en de nouvelles particules encore à découvrir, celles-ci influenceront la largeur mesurée.
Comme sa valeur est prédite avec précision par le modèle standard basé sur l’intensité de la force faible chargée et la masse du boson W, tout écart significatif par rapport à la prédiction indiquerait la présence de phénomènes inexpliqués.
Dans une nouvelle étude, la collaboration ATLAS a mesuré la largeur du boson W au Grand collisionneur de hadrons.
La largeur du boson W avait déjà été mesurée au Grand collisionneur électron-positon (LEP) du CERN et au collisionneur Tevatron du Laboratoire Fermi, donnant une valeur moyenne de 2 085 ± 42 millions d’électronvolts (MeV), conforme à la prévision du modèle standard de 2 088 ± 1 MeV. .
En utilisant les données de collision proton-proton à une énergie de 7 TeV collectées lors de la première exploitation du LHC, ATLAS a mesuré la largeur du boson W à 2 202 ± 47 MeV.
Il s’agit de la mesure la plus précise réalisée à ce jour par une seule expérience et, bien qu’un peu plus grande, elle est cohérente avec la prédiction du modèle standard à 2,5 écarts-types près.
Ce résultat remarquable a été obtenu en effectuant une analyse détaillée de l’impulsion des particules des désintégrations du boson W en un électron ou un muon et de leur neutrino correspondant, qui n’est pas détectée mais laisse une signature d’énergie manquante lors de la collision.
Cela a obligé les physiciens à calibrer avec précision la réponse du détecteur ATLAS à ces particules en termes d’efficacité, d’énergie et de quantité de mouvement, en tenant compte des contributions des processus de fond.
Cependant, pour atteindre une telle précision, il faut également la confluence de plusieurs résultats de haute précision.
Par exemple, une compréhension précise de la production du boson W dans les collisions proton-proton était essentielle, et les chercheurs se sont appuyés sur une combinaison de prédictions théoriques validées par diverses mesures des propriétés des bosons W et Z.
La connaissance de la structure interne du proton, décrite dans les fonctions de distribution des partons, est également cruciale pour cette mesure.
Les physiciens d’ATLAS ont incorporé et testé des fonctions de distribution de partons dérivées par des groupes de recherche mondiaux à partir d’ajustements aux données d’un large éventail d’expériences de physique des particules.
Les chercheurs ont mesuré la largeur du boson W simultanément avec la masse du boson W en utilisant une méthode statistique qui a permis de déduire directement une partie des paramètres quantifiant les incertitudes des données mesurées, améliorant ainsi la précision de la mesure.
La mesure mise à jour de la masse du boson W est de 80 367 ± 16 MeV, ce qui améliore et remplace la mesure précédente d’ATLAS utilisant le même ensemble de données.
Les valeurs mesurées de la masse et de la largeur sont cohérentes avec les prédictions du modèle standard.
“Les futures mesures de la largeur et de la masse du boson W à l’aide de jeux de données ATLAS plus vastes devraient réduire les incertitudes statistiques et expérimentales”, ont déclaré les scientifiques.
« Parallèlement, les progrès des prédictions théoriques et une compréhension plus fine des fonctions de distribution des partons contribueront à réduire les incertitudes théoriques. »
“À mesure que leurs mesures deviennent de plus en plus précises, nous serons en mesure d’effectuer des tests encore plus rigoureux du modèle standard et de rechercher de nouvelles particules et forces.”
