Dans un article publié aujourd'hui dans le Revue Physique Européenne C , la collaboration ATLAS rapporte la première mesure de haute précision au Large Hadron Collider (LHC) de la masse du boson W. C'est l'une des deux particules élémentaires qui interviennent dans l'interaction faible – l'une des forces qui régissent le comportement de la matière dans notre univers. Le résultat rapporté donne une valeur de 80370±19 MeV pour la masse W, ce qui est cohérent avec les attentes du modèle standard de physique des particules, la théorie qui décrit les particules connues et leurs interactions.

La mesure est basée sur environ 14 millions de bosons W enregistrés en une seule année (2011), lorsque le LHC fonctionnait à l'énergie de 7 TeV. Il correspond aux mesures précédentes obtenues au LEP, l'ancêtre du LHC au CERN, et au Tevatron, un ancien accélérateur du Fermilab aux Etats-Unis, dont les données ont permis d'affiner en permanence cette mesure au cours des 20 dernières années.

Le boson W est l'une des particules les plus lourdes connues de l'univers. Sa découverte en 1983 a couronné le succès du super synchrotron proton-antiproton du CERN, menant au prix Nobel de physique en 1984. Bien que les propriétés du boson W soient étudiées depuis plus de 30 ans, mesurer sa masse avec une grande précision reste un défi majeur.

« Atteindre une mesure aussi précise malgré les conditions exigeantes présentes dans un collisionneur de hadrons tel que le LHC est un grand défi, " a déclaré le coordinateur de la physique de la collaboration ATLAS, Tancrède Carli. "Atteignant une précision similaire, comme précédemment obtenu dans d'autres collisionneurs, avec seulement un an de données Run 1 est remarquable. C'est une indication extrêmement prometteuse de notre capacité à améliorer notre connaissance du modèle standard et à rechercher des signes d'une nouvelle physique grâce à des mesures très précises. »

Le Modèle Standard est très puissant pour prédire le comportement et certaines caractéristiques des particules élémentaires et permet de déduire certains paramètres d'autres grandeurs bien connues. Les masses du boson W, le quark top et le boson de Higgs par exemple, sont liés par des relations de physique quantique. Il est donc très important d'améliorer la précision des mesures de masse du boson W pour mieux comprendre le boson de Higgs, affiner le modèle standard et tester sa cohérence globale.

Remarquablement, la masse du boson W peut être prédite aujourd'hui avec une précision dépassant celle des mesures directes. C'est pourquoi elle est un ingrédient clé dans la recherche d'une nouvelle physique, car tout écart de la masse mesurée par rapport à la prédiction pourrait révéler de nouveaux phénomènes en conflit avec le modèle standard.

La mesure repose sur un étalonnage poussé du détecteur et de la modélisation théorique de la production de boson W. Ces résultats ont été obtenus grâce à l'étude des événements du boson Z et à plusieurs autres mesures auxiliaires. La complexité de l'analyse a fait qu'il a fallu près de cinq ans à l'équipe ATLAS pour atteindre ce nouveau résultat. Une analyse plus approfondie avec l'énorme échantillon de données LHC désormais disponibles, permettra une précision encore plus grande dans un avenir proche.