Le boson W semble plus massif que ne le montraient les anciennes mesures. Quelle est l’implication pour le modèle standard de la physique des particules ?

Quatre forces fondamentales régissent l’Univers : la force forte, la force faible, la force électromagnétique et la force gravitationnelle. Le « boson W » est le médiateur de la force faible (le W correspond à weak, « faible » en anglais). Cette particule a été découverte dans les années 1980. Sa masse a été identifiée et affinée depuis. Sauf qu’une étude, parue dans Science le 7 avril 2022, porte la mesure la plus précise à ce jour du boson W, et l’on y découvre une masse bien plus importante qu’on ne l’avait calculé avant. En clair : le boson W est plus lourd que prévu.

C’est fâcheux, car le modèle standard de la physique des particules repose sur cette mesure. Or, ce modèle est un véritable château de cartes, et une masse plus grande que prévu peut faire basculer pas mal de choses. Dans le cas du boson W, en tant que médiateur de l’interaction faible, celui-ci est notamment au cœur d’un processus tel que la fusion nucléaire — au cœur des étoiles. Toute une part de notre conception de l’Univers est donc liée à la bonne mesure du boson W.

450 000 milliards de collisions (à peu de choses près)

On pourrait postuler une erreur de calcul. Ce n’est pas impossible dans ce genre de cas. Le problème, c’est l’immense précision de la mesure : elle a impliqué 400 scientifiques pendant 10 ans sur un ensemble de données d’environ 450 000 milliards de collisions au Fermilab (ces collisions sont issues de l’ancien accélérateur de particules Tevatron, fermé depuis).

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Le détecteur de collisions du Fermilab a enregistré les collisions de particules de haute énergie produites par le collisionneur Tevatron de 1985 à 2011. // Source : Fermilab

« De nombreuses expériences de collisionneurs ont produit des mesures de la masse du boson W au cours des 40 dernières années », détaille, dans un commentaire de l’étude, le physicien Giorgio Chiarelli. « 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 procéder aux vérifications nécessaires. C’est notre mesure la plus robuste à ce jour, et l’écart persiste entre les valeurs mesurées et attendues. »

Cet écart de masse entre ce qui est prédit et ce qui est mesuré relève dorénavant d’un mystère, qui devra être résolu. Il faudra tout à la fois reconfirmer la mesure — même si elle s’avère aujourd’hui la plus précise — puis lui trouver une explication tangible au sein du modèle standard de l’Univers.

« 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 fortes chances que ce soit quelque chose qui puisse être découvert lors de futures expériences », explique David Toback, l’un des auteurs.