Divers efforts ont été déployés précédemment pour déterminer la masse exacte du boson W à l’aide des données recueillies par les expériences de physique des particules à haute énergie, notamment le collisionneur Tevatron du Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), près de Chicago, dans l’Illinois.
Les chercheurs de la collaboration Collider Detector at Fermilab (CDF) – un groupe d’experts comptant actuellement 400 personnes – calculent des mesures de plus en plus précises du boson W depuis plus de deux décennies.
Leur dernière estimation est basée sur les données relatives à quelque 4,2 millions de candidats bosons W détectés à la suite de collisions de particules à haute énergie dans le Tevatron, de 1985 jusqu’à l’arrêt des activités de la machine en 2011.
Cet ensemble de données était environ quatre fois plus important que celui utilisé par la collaboration dans son précédent calcul de la masse du boson W en 2012,
Le chef de l’étude et physicien des particules, le professeur Ashutosh V. Kotwal de l’université Duke, a déclaré : “Le nombre d’améliorations et de vérifications supplémentaires qui ont été apportées à notre résultat est énorme”.
“Nous avons pris en compte notre meilleure compréhension de notre détecteur de particules ainsi que les avancées dans la compréhension théorique et expérimentale des interactions du boson W avec d’autres particules”.
“Lorsque nous avons finalement dévoilé le résultat, nous avons constaté qu’il différait de la prédiction du modèle standard.”
Dans le modèle standard, la masse du boson W est liée aux mesures des masses de deux autres particules – le quark supérieur, qui a été repéré pour la première fois par le collisionneur Tevatron à Fermilab en 1995, et le boson de Higgs, dont la détection a été rapportée par le Grand collisionneur de hadrons du CERN, à la frontière franco-suisse, en 2012.
En prenant ces masses comme point de départ, le modèle standard prédit que le boson W devrait avoir une masse de 80 357 ± 6 MeV/c2, soit environ 80 fois la masse d’un proton
La dernière analyse des données du Tevatron, en revanche, place la masse du boson W au chiffre légèrement plus élevé de 80 433 ± 6 MeV/c2.
Selon l’équipe, cette mesure est d’une précision de 0,01 pour cent – une amélioration de deux fois par rapport à la dernière meilleure estimation, et l’équivalent de la mesure du poids d’un gorille de 800 livres à 1,5 once près.
Le professeur Chris Hays, physicien de l’université d’Oxford, qui est membre de la collaboration CDF, a déclaré : “La mesure CDF a été réalisée sur plusieurs années.”
La valeur mesurée, a-t-il expliqué, était “cachée aux analyseurs jusqu’à ce que les procédures soient entièrement examinées”.
“Lorsque nous avons découvert la valeur, ce fut une surprise”.
Les chercheurs ont expliqué que la nouvelle valeur est en accord avec un certain nombre des efforts précédents pour déterminer la masse du boson W – mais en désaccord avec d’autres.
Le directeur adjoint du Fermilab, Joe Lykken, a ajouté : “Bien qu’il s’agisse d’un résultat intriguant, la mesure doit être confirmée par une autre expérience avant de pouvoir être interprétée pleinement.”
Le porte-parole de la FCD et physicien des hautes énergies, le professeur Giorgio Chiarelli de l’Institut national italien de physique nucléaire, a déclaré : “De nombreuses expériences de collisionneurs ont produit des mesures de la masse du boson W au cours des 40 dernières années.
“Ce sont des mesures difficiles et compliquées, et elles ont atteint une précision toujours plus grande.
“Il nous a fallu de nombreuses années pour régler tous les détails et effectuer les vérifications nécessaires.
“C’est notre mesure la plus robuste à ce jour, et l’écart entre les valeurs mesurées et attendues persiste.”
Un autre porte-parole de la FCD et physicien des hautes énergies, le professeur David Toback de l’université Texas A&M, a ajouté que la dernière découverte de la collaboration est une contribution importante aux tests de l’exactitude du modèle standard.
Il a déclaré : “Il appartient maintenant à la communauté de la physique théorique et à d’autres expériences d’assurer le suivi de cette découverte et de faire la lumière sur ce mystère.
“Si la différence entre la valeur expérimentale et la valeur attendue est due à une sorte de nouvelle particule ou d’interaction subatomique, ce qui est l’une des possibilités, il y a de bonnes chances que ce soit quelque chose qui puisse être découvert dans de futures expériences.”