Genève, le 23 Mars 2023. Le boson W, particule fondamentale chargée porteuse de la force faible, a fait l'objet d'une nouvelle mesure précise de sa masse, réalisée par l'expérience ATLAS au CERN.

Le résultat préliminaire, annoncé dans une nouvelle note de conférence présentée ce jour lors des Rencontres de Moriond, a été obtenu par une nouvelle analyse d'un échantillon de 14 millions de candidats bosons W produits dans des collisions proton-proton au Grand collisionneur de hadrons (LHC), le grand accélérateur de particules du CERN.

La nouvelle mesure réalisée par ATLAS concorde avec toutes les mesures précédentes de la masse du W sauf une, la dernière mesure de l'expérience CDF au Tevatron, ancien accélérateur du Fermilab.

Avec son homologue électriquement neutre, le boson Z, le boson W, qui est électriquement chargé, est le médiateur de la force faible, force fondamentale responsable d'une forme de radioactivité et qui est à l'origine de la réaction de fusion nucléaire qui se produit dans le Soleil.

La découverte de la particule au CERN il y a 40 ans a contribué à confirmer la théorie de l'interaction électrofaible, qui unifie force électromagnétique et force faible. Cette théorie est à présent un élément fondamental du Modèle standard de la physique des particules. Les chercheurs du CERN qui ont rendu possible cette découverte ont reçu le prix Nobel de physique en 1984.

Depuis lors, des expériences réalisées auprès de collisionneurs de particules au CERN et ailleurs ont mesuré la masse du boson W avec une précision croissante. Selon le Modèle standard, la masse du boson de Higgs est étroitement liée à l'intensité des interactions électrofaibles et aux masses des particules fondamentales les plus lourdes, notamment le boson Z, le quark top et le boson de Higgs. Dans cette théorie, la particule est devrait de peser 80 354 millions d'électronvolts (MeV), avec une incertitude de 7 MeV.

Tout écart entre la masse mesurée et la prédiction du Modèle standard serait l'indice de nouveaux phénomènes de physique, tels que de nouvelles particules ou de nouvelles interactions. Pour être sensibles à de tels écarts, les mesures de masse doivent être extrêmement précises.

En 2017, ATLAS a publié sa première mesure de la masse du boson W, déterminée au moyen d'un échantillon de bosons W enregistrés en 2011, alors que le LHC fonctionnait à une énergie de collision de 7 TeV. La masse du boson W observée était de 80 370 MeV, avec une incertitude de 19 MeV.

À l'époque, ce résultat représentait la valeur la plus précise de la masse du boson W jamais obtenue par une seule expérience, et il concordait avec la prédiction du Modèle standard et avec tous les résultats expérimentaux précédents, y compris ceux issus des expériences au Grand collisionneur électron-positon (LEP), le prédécesseur du LHC au CERN.

L'année dernière, la collaboration CDF au Fermilab a annoncé une mesure encore plus précise, s'appuyant sur une analyse de son jeu complet de données recueillies au collisionneur Tevatron. Le résultat, à savoir 80 434 MeV avec une incertitude de 9 MeV, différait sensiblement de la prédiction du Modèle standard et des autres résultats expérimentaux, ce qui invitait à réaliser d'autres mesures destinées à identifier la cause de cet écart.

Dans sa nouvelle étude, ATLAS a procédé à une nouvelle analyse de son échantillon 2011 de bosons W, en améliorant la précision de sa mesure précédente. La nouvelle masse du boson W obtenue, soit 80 360 MeV, avec une incertitude de 16 MeV, correspond à 10 MeV de moins que le résultat précédent d'ATLAS, avec une précision améliorée de 16 %. Ce résultat est conforme au Modèle standard.

Pour l'obtenir, ATLAS a utilisé une technique avancée d'ajustement pour déterminer la masse, ainsi que des versions plus récentes, améliorées, de ce qu'on appelle les fonctions de distribution de partons du proton. Ces fonctions décrivent la répartition de l'impulsion du proton entre les quarks et les gluons qui le constituent. De plus, ATLAS a vérifié la description théorique du processus de production du boson W au moyen de campagnes spéciales proton-proton au LHC.

« En raison d'un neutrino produit dans la désintégration de la particule et qui n'est pas détecté, la mesure de la masse du W fait partie des mesures de précision les plus compliquées parmi celles qu'on peut réaliser dans les collisionneurs de hadrons. Elle requiert un étalonnage très précis des énergies et des impulsions des particules mesurées, ainsi qu'une évaluation attentive et une parfaite maîtrise des incertitudes de modélisation, explique Andreas Hoecker, porte-parole d'ATLAS. Ce résultat mis à jour d'ATLAS constitue un test rigoureux, et confirme la cohérence de notre compréhension théorique de l'interaction électrofaible. » 

On attend de nouvelles mesures de la masse du boson W réalisées par ATLAS et CMS, ainsi que par LHCb, qui a aussi récemment pesé le boson W.  

Informations complémentaires

Communiqué de presse vidéo (en anglais) : https://videos.cern.ch/record/2297554

Clip d'information : https://videos.cern.ch/record/2297560

Galerie d'images ATLAS : https://home.cern/resources/image/experiments/atlas-images-gallery