Photo de l’accélérateur Tevatron du laboratoire Fermilab, qui a permis de révéler une masse étrangement lourde du boson W.

SCIENCE – Cela pourrait bien être une découverte physique majeure, modifiant toutes les lois connues à ce jour. Des physiciens ont découvert qu’une des 17 particules élémentaires connues en physique, le boson W, serait plus lourde que prévu de 0,1%. Rapportée dans la revue Sciences le 7 avril, cette nouvelle mesure provient de l’accélérateur de particules du laboratoire Fermilab aux États-Unis (ou CDF), spécialisé dans la physique des particules des hautes énergies. 

Si cette différence de masse peut sembler infime, elle pourrait cependant présager d’un énorme changement dans la physique fondamentale. “Ce serait un changement complet dans la façon dont nous voyons le monde”, rivalisant même potentiellement avec la découverte du boson de Higgs en 2012 en termes d’importance, déclare même pour Quanta magazine, Sven Heinemeyer, un physicien de l’Institut de physique théorique de Madrid. En effet, cela entraînerait la première réécriture majeure des lois de la physique quantique depuis un demi-siècle.

Changer de modèle

Concrètement, si la masse de cette particule est effectivement plus lourde qu’estimé précédemment, cela modifie l’ensemble des lois physiques. Imaginons un jeu Tetris. Chaque particule constitue une pièce, formant un ensemble parfait. Seulement, si l’une des pièces grossit, alors l’ensemble ne fonctionne plus. Il faut donc réarranger l’ensemble, en modifiant la forme des pièces, voir en ajoutant de nouvelles pour retrouver l’équilibre exact.

De cette manière, si le boson W à une masse un tout petit peu plus lourde, cela signifie que les lois physiques actuelles ne sont plus bonnes, et qu’il faut trouver un nouveau modèle expliquant le fonctionnement de l’univers, des étoiles aux objets de notre quotidien.

Tout ce qui nous entoure est constitué de particules de matière subatomiques divisées en deux familles: les quarks (comme les neutrons et protons, éléments formant le noyau des atomes) et les leptons (comme les électrons). Au total, ce sont 12 particules élémentaires qui sont aujourd’hui répertoriées, formant la catégorie des fermions.

Ces particules de matière interagissent entre elles. Pour ce faire, il faut qu’un autre type de particule intervienne: les particules d’interaction. Appelées bosons, elles sont au nombre de quatre, sans compter l’exception du boson de Higgs (ou particule de dieu). Ce sont les particules d’interaction qui sont en jeu dans trois des forces fondamentales.

Au total, il existe quatre forces et elles définissent le modèle standard de la physique fondamentale: la force forte, la force faible, la force électromagnétique et la force gravitationnelle. Si les trois premières interagissent entre elles, la gravité est (pour l’instant) un cas à part.

Bien qu’il s’agisse de la force qui nous est la plus familière, les physiciens peinent à lui trouver une place dans le modèle standard, alors même que la particule porteuse de la gravité (théoriquement le “graviton”) n’a pas encore été observée. C’est la raison pour laquelle elle n’est pas présente dans le tableau si dessous: 

Tableau présentant les 17 particules élémentaires.

La particule qui intéresse ici les physiciens se nomme boson W, un des responsables de la force faible. Pour calculer sa masse, les physiciens se sont basés sur une analyse d’environ 4 millions de bosons W produits au Tevatron (nom de l’accélérateur de particules du CDF) entre 2002 et 2011. 

The CDF collaboration at Fermilab announces the most precise ever measurement of the #Wboson mass to be in tension with the Standard Model:https://t.co/Oqgs4QI268pic.twitter.com/L5itow1zUo

— Fermilab (@Fermilab) April 7, 2022

Cette découverte intervient à un moment où la communauté des physiciens a faim de failles dans le modèle standard de la physique des particules. En effet, le modèle standard est connu pour être incomplet, laissant plusieurs grands mystères non résolus, comme la nature de la matière noire.

“C’est un travail monumental”, a déclaré Frank Wilczek, un physicien lauréat du prix Nobel au Massachusetts Institute of Technology. “Dans l’ensemble, j’ai l’impression que nous approchons du point où quelque chose va casser”, a déclaré El-Khadra. “Nous nous rapprochons de vraiment voir au-delà du modèle standard.”

La prudence est de mise

Cependant, personne ne sabre encore le champagne. Si la nouvelle mesure de la masse du W, prise isolément, s’écarte radicalement de la prédiction du modèle standard, d’autres expériences pesant le boson W ont donné des résultats moins spectaculaires.

En 2017, par exemple, l’expérience ATLAS au Grand collisionneur de hadrons d’Europe (un accélérateur de particules de 27km de circonférence, le plus grand et puissant du monde) a mesuré la masse de la particule W et a constaté qu’elle n’était qu’un poil plus lourde que ce que dit le modèle standard.

Il est important de comprendre la différence de mesure entre les deux laboratoires. En effet, comme l’affirme Guillaume Unal, physicien au CERN (le laboratoire qui abrite le Grand collisionneur de hadrons), “le boson W doit être le même des deux côtés de l’Atlantique”.

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