Le boson W repasse sur la balance… et rentre dans le rang

« En physique des particules, il s’agit d’une des mesures les plus ardues. Chaque expérience de chaque collisionneur s’attaque un jour à quantifier la masse du boson W », confie Kenneth Long, chercheur CNRS à l’Institut de physique des deux infinis, à Lyon, qui vient, avec ses collègues de la collaboration CMS, de rendre sa conclusion après un effort mené sur près de dix ans.

La découverte au Cern de cette particule, un des bosons médiateurs de l’interaction faible, remonte à 1983, mais le modèle standard de la physique des particules ne fixe pas une fois pour toutes les masses. « Les expériences permettent à la fois de déterminer ces paramètres et de tester la cohérence de la théorie, car la masse du boson W est connectée, par exemple, au phénomène de désintégration bêta », explique le chercheur. Auparavant, les expériences Atlas, au LEP (l’ancien collisionneur du Cern), et LHCb, au LHC, avaient déjà publié des résultats en accord avec le modèle standard.

En 2022, en analysant finement les données recueillies auprès de l’accélérateur Tevatron du Fermilab (fermé en 2011), la collaboration CDF avait établi la mesure la plus précise : 80433,5 ± 9,4 mégaélectronvolts (MeV). Cette valeur, trop éloignée de celle qu’on attendait, même en prenant en compte les incertitudes (de 7 écarts-types), a fait l’effet d’un pavé dans la mare et ouvert la perspective de possibles particules inconnues et d’une nouvelle physique.

Comme son compère Z, autre boson de l’interaction faible, le W apparaît trop fugacement dans les collisions entre particules pour être détecté directement. Les physiciennes et physiciens traquent les particules résultantes puis remontent la piste grâce à la conservation de la quantité de mouvement. Le boson Z peut se désintégrer en deux muons, des particules chargées très bien détectées dans des expériences comme CMS, ce qui le rend plus simple à caractériser.

Mais pour le W, la voie de désintégration recherchée dans les collisionneurs proton-proton comme le LHC (ou proton-antiproton au Tevatron) produit un muon et un neutrino. Or ce dernier interagit extrêmement peu avec la matière et échappe aux détecteurs, laissant moins d’indices pour remonter la piste. Quelle proportion de la quantité de mouvement initiale du W est portée par le muon restant ? Voici un des casse-tête posés aux scientifiques.

De plus, si le LHC produit des collisions plus nombreuses et à plus haute énergie que le Tevatron, il possède aussi des désavantages. « Le nombre important de collisions au LHC engendre du bruit [des signaux qui ressemblent à celui d’intérêt et qu’il faut identifier et écarter, ndlr], ce qui rend l’estimation des caractéristiques des collisions plus difficile. Et la donnée des propriétés du W, dont sa quantité de mouvement initiale, requiert des calculs théoriques qui sont plus complexes dans le cas des collisions proton-proton que proton-antiproton », détaille Kenneth Long.

Pour toutes ces raisons, il a fallu beaucoup de temps pour passer au peigne fin les quelque 100 millions d’événements enregistrés en 2016 par CMS qui ont servi à cette mesure de la masse du W. Le résultat final : 80 360,2 ± 9,9 MeV, dans les clous du modèle standard avec une précision du même ordre que celle de CDF. « Cela ne disqualifie pas pour autant la mesure de CDF, dont le travail est très sérieux », ajoute Kenneth Long. Les spécialistes risquent cependant de considérer la valeur obtenue au Tevatron comme l’intruse parmi toutes les autres.

Mais ce n’est pas fini avec le boson W. À l’heure où ces lignes sont écrites, des événements sont enregistrés au LHC, avec moins de collisions, et donc moins de bruit, qui serviront notamment à une nouvelle estimation de sa masse.