[Le modèle standard de la physique des particules à l’épreuve de la masse du boson W]

Jusqu’ici en cohérence avec les prévisions du modèle standard, une nouvelle mesure de la masse du boson W, particule médiatrice de la force faible, vient ébranler une fois de plus le monde de la physique des particules. Derrière ce chiffre réévalué, un nouvel indice que quelque chose nous échappe encore totalement.

Calculée avec deux fois plus de précision qu’auparavant dans le cadre d’une expérience internationale menée au Fermilab, aux États-Unis, la masse du boson W se révèle plus lourde que prévue par le modèle standard de la physique des particules (MSPP), le cadre théorique qui décrit la nature à son niveau le plus fondamental. Environ deux fois plus précise que la précédente, réalisée par le CERN en 2018, cette nouvelle mesure de la masse du boson W a été effectuée à l’issue d’une décennie d’analyse de données recueillies par le TeVatron, un ancien collisionneur protons-antiprotons du Fermilab, aux États-Unis. Aux commandes, la collaboration Collider Detector du Fermilab II (CDF II), qui rassemble près de 400 chercheurs du monde entier. Selon les auteurs des conclusions, publiées jeudi 7 avril 2022 dans la revue Science, les résultats indiquent que la masse du boson W est supérieure de 7 écarts-types à la prévision du modèle standard. Estimée auparavant à m_W = 80370 ± 19 MeV, compatible avec la théorie, elle est dorénavant donnée à m_W = 80433,5 ± 9,4 MeV, une mesure en tension significative avec l’attente du modèle standard, 0.1 % plus élevée que prévue.

Ce qui interpelle dans cette découverte, c’est qu’elle vient ébranler un modèle mathématique (le MSPP) qui résiste à tous les tests expérimentaux depuis une cinquantaine d’années et qui a été l’origine de nombreuses prédictions ensuite avérées.

Ainsi, le boson W est une particule élémentaire prédite dans les années 1960 et découverte en 1983. Il est un jalon fondamental du modèle standard de la physique des particules dont il est le médiateur de la force faible – W, pour « weak » – l’une des quatre forces qui régissent le comportement de la matière dans notre Univers. Il transforme les protons en neutrons, et vice-versa, par la force nucléaire faible, celle qui déclenche la fusion nucléaire et permet aux étoiles de brûler. C’est donc peu dire que connaître sa masse précise – un paramètre contraint par d’autres paramètres observables, tels que la charge des électrons et les masses des autres particules – est crucial pour mettre à l’épreuve la solidité des prédictions admises jusqu’ici.

Cette différence de masses pourrait être le signe d’une nouvelle physique, sur laquelle les physiciens stipulent déjà parmi la supersymétrie, l’influence de particules encore inconnues ou de particules du « secteur sombre »… Le modèle standard est certes incomplet, parce qu’il ne parvient pas à résoudre le problème de la matière noire, ni l’excès de matière par rapport à l’antimatière. Alors si ces résultats ne font pas l’objet d’un biais expérimental et sont confirmés, quels nouveaux phénomènes pourraient expliquer quantitativement cette déviation, tout comme d’autres révélées récemment par diverses expériences ?