La mesure de l'angle de mélange électrofaible effectuée par la collaboration CMS a fait preuve d'une précision sans précédent, confirmant le modèle standard et ouvrant la voie à la physique des futurs collisionneurs. Crédit : CERN
Avec cette mesure, le Large Hadron Collider a une nouvelle fois démontré sa capacité à fournir des mesures de très haute précision et à apporter de nouveaux éclairages sur un vieux mystère.
La collaboration CMS a révélé une mesure révolutionnaire de l'angle de mélange électrofaible, confirmant les prédictions du modèle standard et corrigeant les divergences précédentes avec la mesure basée sur un collisionneur la plus précise à ce jour. Cette réalisation met en évidence le potentiel de la physique de précision dans les collisionneurs de hadrons et prépare des études plus avancées au LHC à haute luminosité.
Mesure de mélange électrofaible
À l'assemblée annuelle Rencontres de Moriond conférence, la collaboration CMS a présenté une mesure de l'angle de mélange électrofaible leptonique effectif. Le résultat est la mesure la plus précise réalisée à ce jour dans un collisionneur de hadrons et est en bon accord avec les prévisions du modèle standard.
Présentation du modèle standard
Le modèle standard de physique des particules constitue la description la plus précise à ce jour des particules et de leurs interactions. Des mesures précises de ses paramètres, combinées à des calculs théoriques précis, offrent une puissance prédictive spectaculaire qui permet de déterminer les phénomènes avant même qu'ils ne soient directement observés. De cette façon, le modèle a réussi à contraindre les masses des bosons W et Z (découverts à CERN en 1983), du quark top (découvert au Laboratoire Fermi en 1995) et, plus récemment, du boson de Higgs (découvert au CERN en 2012).
Une fois ces particules découvertes, ces prédictions sont devenues des contrôles de cohérence du modèle, permettant aux physiciens d'explorer les limites de la validité de la théorie. Dans le même temps, les mesures précises des propriétés de ces particules constituent un outil puissant pour rechercher de nouveaux phénomènes au-delà du modèle standard – ce que l’on appelle la « nouvelle physique » – puisque les nouveaux phénomènes se manifesteraient par des écarts entre diverses quantités mesurées et calculées.
Importance de l’angle de mélange électrofaible
L’angle de mélange électrofaible est un élément clé de ces contrôles de cohérence. Il s'agit d'un paramètre fondamental du modèle standard, déterminant comment l'interaction électrofaible unifiée a donné naissance aux interactions électromagnétiques et faibles par le biais d'un processus connu sous le nom de rupture de symétrie électrofaible. En même temps, il relie mathématiquement les masses des bosons W et Z qui transmettent l’interaction faible. Ainsi, les mesures du W, du Z ou de l'angle de mélange fournissent un bon recoupement expérimental du modèle.
Résoudre les écarts dans les mesures
Les deux mesures les plus précises de l'angle de mélange faible ont été réalisées par des expériences menées au collisionneur LEP du CERN et par l'expérience SLD au Centre d'accélération linéaire de Stanford (SLAC). Les valeurs sont en désaccord, ce qui a intrigué les physiciens pendant plus d'une décennie.
Le nouveau résultat est en bon accord avec la prédiction du modèle standard et constitue une étape vers la résolution de l'écart entre cette dernière et les mesures du LEP et du SLD.
Progrès dans la physique des collisionneurs
« Ce résultat montre que la physique de précision peut être réalisée dans les collisionneurs de hadrons », déclare Patricia McBride, porte-parole de CMS. « L’analyse a dû gérer l’environnement difficile de l’exploitation 2 du LHC, avec une moyenne de 35 collisions proton-proton simultanées. Cela ouvre la voie à une physique plus précise au LHC à haute luminosité, où cinq fois plus de paires de protons entreront en collision simultanément.
Défis et précision dans les collisions de protons
Les tests de précision des paramètres du modèle standard sont l'héritage des collisionneurs électron-positon, tels que le LEP du CERN, qui a fonctionné jusqu'en 2000 dans le tunnel qui abrite aujourd'hui le LHC. Les collisions électron-positon fournissent un environnement propre parfait pour des mesures de si haute précision. Les collisions proton-proton dans le LHC sont plus difficiles pour ce type d’études, même si les expériences ATLAS, CMS et LHCb ont déjà fourni une pléthore de nouvelles mesures ultra précises.
Le défi est principalement dû à l’énorme expérience des processus physiques autres que celui étudié et au fait que les protons, contrairement aux électrons, ne sont pas des particules élémentaires. Pour ce nouveau résultat, atteindre une précision similaire à celle d’un collisionneur électron-positon semblait une tâche impossible, mais c’est désormais chose faite.
Détails de la mesure CMS
La mesure présentée par CMS utilise un échantillon de collisions proton-proton collectées de 2016 à 2018 à une énergie de centre de masse de 13 TeV et correspondant à une luminosité intégrée totale de 137 fb.−1soit environ 11 milliards de millions de collisions !
L'angle de mélange est obtenu grâce à une analyse des distributions angulaires lors de collisions où des paires d'électrons ou de muons sont produites. Il s’agit de la mesure la plus précise réalisée à ce jour dans un collisionneur de hadrons, améliorant ainsi les mesures précédentes d’ATLAS, CMS et LHCb.
