Une étape importante a été franchie dans la découverte des forces fondamentales de l'Univers au Grand collisionneur de hadrons

Des chercheurs de l'Université de Rochester, travaillant avec la collaboration CMS à CERNont réalisé des progrès significatifs dans la mesure de l’angle de mélange électrofaible, améliorant ainsi notre compréhension du modèle standard de la physique des particules.

Leurs travaux contribuent à expliquer les forces fondamentales de l'univers, soutenus par des expériences comme celles menées au Grand collisionneur de hadrons, qui explorent des conditions similaires à celles d'après l'Univers. Big Bang.

Dévoiler les mystères universels

Dans leur quête pour décoder les mystères de l'univers, les chercheurs de l'Université de Rochester participent depuis des décennies à des collaborations internationales au sein de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire, plus communément appelée CERN.

Forte de sa forte implication au CERN, notamment au sein de la collaboration CMS (Compact Muon Solenoid), l'équipe de Rochester, dirigée par Arie Bodek, professeur de physique George E. Pake, a récemment franchi une étape révolutionnaire. Leurs réalisations se concentrent sur la mesure de l’angle de mélange électrofaible, un élément crucial du modèle standard de physique des particules. Ce modèle décrit la manière dont les particules interagissent et prédit avec précision une multitude de phénomènes en physique et en astronomie.

« Les mesures récentes de l'angle de mélange électrofaible sont incroyablement précises, calculées à partir de collisions de protons au CERN, et renforcent la compréhension de la physique des particules », explique Bodek.

La collaboration CMS rassemble des membres de la communauté de la physique des particules du monde entier pour mieux comprendre les lois fondamentales de l'univers. Outre Bodek, la cohorte de Rochester de la collaboration CMS comprend les chercheurs principaux Regina Demina, professeur de physique, et Aran Garcia-Bellido, professeur agrégé de physique, ainsi que des associés de recherche postdoctoraux et des étudiants des cycles supérieurs et du premier cycle.

Un héritage de découverte et d'innovation au CERN

Situé à Genève, en Suisse, le CERN est le plus grand laboratoire de physique des particules au monde, réputé pour ses découvertes révolutionnaires et ses expériences de pointe.

Les chercheurs de Rochester travaillent depuis longtemps au CERN dans le cadre de la collaboration CMS, et ont notamment joué un rôle clé dans la découverte en 2012 du boson de Higgs, une particule élémentaire qui aide à expliquer l'origine de la masse dans l'univers.

Le travail de la collaboration comprend la collecte et l'analyse des données recueillies par le détecteur compact de solénoïde de muons du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, l'accélérateur de particules le plus grand et le plus puissant au monde. Le LHC consiste en un anneau de 17 milles d’aimants supraconducteurs et de structures accélératrices construits sous terre et traversant la frontière entre la Suisse et la France.

L’objectif principal du LHC est d’explorer les éléments fondamentaux de la matière et les forces qui les gouvernent. Il y parvient en accélérant des faisceaux de protons ou d’ions jusqu’à une vitesse proche de celle de la lumière et en les écrasant les uns contre les autres à des énergies extrêmement élevées. Ces collisions recréent des conditions similaires à celles qui existaient quelques fractions de seconde après le Big Bang, permettant aux scientifiques d'étudier le comportement des particules dans des conditions extrêmes.

Démêler les forces unifiées

Au XIXe siècle, les scientifiques ont découvert que les différentes forces de l'électricité et du magnétisme étaient liées : un champ électrique changeant produit un champ magnétique et vice versa. Cette découverte a constitué la base de l'électromagnétisme, qui décrit la lumière comme une onde et explique de nombreux phénomènes en optique, tout en décrivant la manière dont les champs électriques et magnétiques interagissent.

En s'appuyant sur cette compréhension, les physiciens ont découvert dans les années 1960 que l'électromagnétisme est lié à une autre force, la force faible. Cette force opère dans le noyau des atomes et est responsable de processus tels que la désintégration radioactive et la production d'énergie solaire. Cette révélation a conduit au développement de la théorie électrofaible, qui postule que l'électromagnétisme et la force faible sont en fait des manifestations à basse énergie d'une force unifiée appelée interaction électrofaible unifiée. Des découvertes clés, comme le boson de Higgs, ont confirmé ce concept.

Progrès dans l'interaction électrofaible

La collaboration CMS a récemment réalisé l’une des mesures les plus précises à ce jour liées à cette théorie, en analysant des milliards de collisions proton-proton au LHC du CERN. Leur objectif était de mesurer l’angle de mélange faible, un paramètre décrivant la façon dont l’électromagnétisme et la force faible se mélangent pour créer des particules.

Les mesures précédentes de l'angle de mélange électrofaible ont suscité des débats au sein de la communauté scientifique. Cependant, les dernières découvertes correspondent étroitement aux prédictions du modèle standard de la physique des particules. Rhys Taus, étudiant diplômé de Rochester, et Aleko Khukhunaishvili, chercheur postdoctoral associé, ont mis en œuvre de nouvelles techniques pour minimiser les incertitudes systématiques inhérentes à cette mesure, améliorant ainsi sa précision.

Comprendre le faible angle de mélange met en lumière la façon dont les différentes forces de l’univers travaillent ensemble aux plus petites échelles, approfondissant ainsi la compréhension de la nature fondamentale de la matière et de l’énergie.

« L’équipe de Rochester a développé des techniques innovantes et mesuré ces paramètres électrofaibles depuis 2010, puis les a mises en œuvre au Grand collisionneur de hadrons », explique Bodek. « Ces nouvelles techniques ont inauguré une nouvelle ère de tests de précision des prédictions du modèle standard. »