Première mesure de haute précision de la masse du boson W obtenue auprès du LHC

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Evènement candidat pour un boson W se désintégrant en un muon et un neutrino à partir de collisions proton-proton enregistrées par ATLAS avec des faisceaux stables du LHC à une énergie de collision de 7 TeV.  (Image: CERN)

 

Genève, le 12 février 2018. Dans un article publié dans le European Physical Journal C, la collaboration ATLAS rapporte la première mesure de haute précision obtenue auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC) de la masse du boson W. Il est l’une des deux particules élémentaires porteuses de l’interaction faible – l’une des forces qui régissent le comportement de la matière dans notre Univers. Le résultat présenté fait état d’une valeur de 80370±19 MeV pour la masse du W, ce qui est en accord avec la valeur prévue par le Modèle standard de la physique des particules, la théorie qui décrit les particules que nous connaissons et leurs interactions.

La mesure est basée sur environ 14 millions de bosons W enregistrés en une seule année (2011), lorsque le LHC fonctionnait à une énergie de 7 TeV. Il correspond également aux précédentes mesures obtenues auprès du LEP, l’ancêtre du LHC au CERN, et auprès du Tevatron, un ancien accélérateur du Fermilab, aux États-Unis, dont les données ont permis d’affiner sans cesse cette mesure au fil des 20 dernières années.

Le boson W est l’une des particules les plus lourdes que l’on connaisse dans l’Univers. Sa découverte, en 1983, a été la consécration du Supersynchrotron proton-antiproton du CERN, et a été couronnée par le prix Nobel de physique en 1984. Même si les propriétés du boson W font l’objet d’études depuis plus de 30 ans, mesurer la masse de cette particule avec une grande précision reste particulièrement difficile.

« Obtenir une mesure aussi précise malgré les conditions exigeantes qui prévalent avec un collisionneur de hadrons tel que le LHC représente un immense défi, indique Tancredi Carli, coordinateur pour la physique d’ATLAS. Le fait d’avoir atteint une précision semblable à celle obtenue auprès d’autres collisionneurs à partir de seulement une année des données de la première période d’exploitation est tout simplement remarquable. C’est une indication extrêmement prometteuse de notre capacité à améliorer notre connaissance du Modèle standard et à chercher des signes d’une nouvelle physique en réalisant des mesures très précises. »

Le Modèle standard est la théorie qui décrit l’ensemble des particules élémentaires connues et leurs interactions. Il est très performant pour prédire le comportement et certaines caractéristiques des particules élémentaires et pour permettre la déduction de certains paramètres à partir d’autres quantités bien connues. Les masses du W, du quark top et du boson de Higgs, par exemple, sont liées entre elles par des relations quantiques. Il est par conséquent essentiel d’améliorer la précision des mesures de la masse du boson W pour mieux comprendre le boson de Higgs, affiner le Modèle standard et tester sa cohérence générale.

Il est remarquable que la masse du boson W puisse aujourd’hui être prédite avec une précision dépassant celle des mesures directes. Pour cette raison, il s’agit d’un ingrédient crucial pour la nouvelle physique : tout écart entre la masse mesurée et la masse prédite de cette particule pourrait révéler de nouveaux phénomènes entrant en conflit avec le Modèle standard.

La mesure s’appuie sur un étalonnage minutieux du détecteur et sur la modélisation théorique de la production du boson W. Ceux-ci ont été rendus possibles grâce à l’étude d’événements faisant intervenir le boson Z et à plusieurs autres mesures auxiliaires. En raison de la complexité de l’analyse, près de cinq ans ont été nécessaires à l’équipe d’ATLAS pour obtenir ce nouveau résultat. Des analyses supplémentaires, s’appuyant sur l’immense ensemble de données du LHC désormais disponible, ouvriront la voie à une précision encore plus grande dans un futur proche.

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Article dans le European Physical Journal C

(Video: CERN)

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