Représentation d'un événement à ATLAS dans lequel un candidat boson W se désintègre en un muon et un neutrino. Les trajectoires reconstituées des particules chargées dans la partie interne du détecteur sont représentées par des lignes oranges. Les dépôts d'énergie dans les calorimètres du détecteur sont représentés par des cubes jaunes. Le muon identifié est représenté par une ligne rouge. L'impulsion transversale manquante associée au neutrino est figurée par une ligne verte en pointillé. (Image : ATLAS/CERN)
La découverte du boson de Higgs en 2012 a permis d'insérer la dernière pièce manquante dans le puzzle du Modèle standard. Pourtant, certaines questions restent en suspens. Qu'est-ce qui existe en dehors de ce cadre ? Comment trouver de nouveaux phénomènes qui permettraient d'élucider certaines énigmes, comme la nature de la matière noire ou l'origine de l'asymétrie matière-antimatière ?
L'un des paramètres qui pourrait être décisif dans la recherche de phénomènes de nouvelle physique est la « largeur » du boson W, particule chargée porteuse de la force faible. La largeur d'une particule est directement liée à sa durée de vie, et permet de décrire comment elle se désintègre en d'autres partiucles. Si le boson W se désintègre selon des voies inattendues, par exemple, en produisant de nouvelles particules à ce jour inconnues, cela aura une incidence sur la largeur mesurée. Comme cette valeur est prédite précisément par le Modèle standard, à partir de l'intensité de la force faible chargée et de la masse du boson W (ainsi que de certains effets quantiques moins importants), tout écart significatif par rapport à la valeur prédite indiquerait la présence de phénomènes non répertoriés.
Dans une nouvelle étude, la collaboration ATLAS a pour la première fois mesuré la largeur du boson W auprès du Grand Collisionneurs de hadrons (LHC). La largeur du boson W avait précédemment été mesurée au Grand collisionneur électron-positon (LEP) du CERN ainsi qu'au collisionneur Tevatron du Fermilab, le résultat étant une valeur moyenne de 2085 ± 42 MeV (millions d'électronvolts), ce qui correspond à la prédiction du Modèle standard, à savoir 2088 ± 1 MeV. S'appuyant sur les données de collision proton-proton à une énergie de 7 TeV, recueillies pendant la première période d'exploitation du LHC, ATLAS a obtenu une mesure de la largeur du boson de W, à savoir 2202 ± 47 MeV. Il s'agit de la mesure la plus précise à ce jour réalisée par une expérience individuellement. Cette valeur, bien qu'un peu au-dessus de la prédiction du Modèle standard, correspond à celui-ci dans la limite de 2,5 écarts-types (voir figure ci-après).
Ce résultat remarquable a été obtenu grâce à une analyse détaillée, de l'impulsion dans les désintégrations du boson W en un électron ou un muon assortis du neutrino correspondant ; les neutrinos restent indétectés mais laissent une signature d'énergie manquante dans l'événement de collision (voir l'image ci-dessus). Pour cela, il a fallu étalonner précisément la réaction du détecteur à ces particules, du point de vue du rendement, de l'énergie et de l'impulsion, en tenant compte des processus du bruit de fond.
Toutefois, pour obtenir une précision aussi grande, il faut pouvoir bénéficier de la conjonction de plusieurs résultats très pointus. Par exemple, il était essentiel d'avoir une bonne compréhension de la production de bosons W dans les collisions proton-proton : les chercheurs se sont appuyés sur une combinaison de prédictions théoriques validées par diverses mesures des propriétés des bosons W et Z. Un autre élément crucial de cette mesure était la connaissance de la structure interne du proton, décrite par les fonctions de distribution de partons. Les équipes d'ATLAS ont intégré et testé des fonctions de distribution de partons déterminées par des groupes de recherche au niveau mondial à partir de rapprochements avec les données, s'appuyant sur une grande variété d'expériences de physique des particules.
La collaboration ATLAS a mesuré la largeur du boson W simultanément avec la masse du boson W, en utilisant une méthode statistique dans laquelle une partie des paramètres quantifiant les incertitudes peuvent être directement contraints à partir des données mesurées, ce qui améliore la précision de la mesure. La mesure actualisée de la masse du boson W est 80367 ± 16 MeV, ce qui constitue une amélioration de la mesure précédente d'ATLAS, réalisée au moyen du même ensemble de données. Les valeurs mesurées, aussi bien pour la masse que pour la largeur, correspondent aux prédictions du Modèle standard.
De futures mesures de la largeur et de la masse du boson W au moyen de plus grands ensembles de données d'ATLAS devraient pouvoir réduire les incertitudes statistique et expérimentale. Dans le même temps, les avancées dans les prédictions théoriques et une compréhension plus fine des fonctions de distribution de partons aideront à réduire les incertitudes théoriques. Les mesures devenant de plus en plus précises, les physiciens pourront effectuer des tests de plus en plus exigeants du Modèle standard, en explorant la possibilité de nouvelles particules et de nouvelles forces.
