Première mondiale: des scientifiques captent le boson Z au CERN

Un groupe international de physiciens a enregistré pour la première fois la naissance du boson Z avec deux photons associés, suivie de la désintégration du boson en électrons, muons ou neutrinos, grâce au détecteur ATLAS du Grand collisionneur de hardons de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN).

"La captation de ce processus physique très rare, prédit par la théorie dès les années 1960, est une preuve supplémentaire du Modèle standard de la physique des particules", a déclaré Dimitri Krasnopevtsev, ingénieur à la chaire de physique des particules élémentaires de l'université MEPhI, qui participait à l'expérience.

"L'étude de processus aussi rares que la naissance d'un boson Z avec des photons associés est un instrument important pour vérifier la théorie avec un très haut degré de précision. Jusqu'à présent, notre groupe n'a encore découvert aucun écart des prédictions théoriques: nous avons donc confirmé le Modèle standard", explique-t-il.

Pour étudier le processus de naissance d'un boson Z avec deux photons associés, les chercheurs ont effectué des mesures avec une exactitude sans précédent — aussi bien de la probabilité du processus que des paramètres cinématiques des particules enregistrées.

"L'affinement de la précision est un élément important de la vérification des prédictions du Modèle standard. Dans notre recherche, nous posons entre autres des restrictions sur les théories exotiques qui pourraient se manifester indirectement dans le processus d'étude. La procédure d'établissement de telles restrictions pourrait être décrite par la phrase "S'il y avait quelque chose ici, nous le verrions", mais pour l'instant tout coïncide avec le Modèle standard et nous pouvons seulement fixer une limite derrière laquelle nous n'avons pas encore pu regarder", explique le chercheur.

Les bosons dits intermédiaires W± et Z, considérés comme porteurs de l'une des quatre interactions fondamentales — faible (les trois autres étant gravitationnelle, forte et électromagnétique), ont été découvert par le CERN en 1983. Les bosons W et Z devaient naître dans une collision des protons avec des antiprotons avec des énergies d'impact de 540 GeV. Comme la durée de vie des bosons intermédiaires est de seulement 3Х10-25, leur naissance ne peut être constatée qu'à partir des produits de leur désintégration.

En 1982, pendant une séance de 30 jours et un milliard de collisions proton-antiproton, les chercheurs n'ont réussi à enregistrer que 6 bosons W. Dans les séances expérimentales suivantes (1983) ont été captées plusieurs dizaines de naissance et de désintégration des bosons W. De plus, les 13 premiers cas de naissance et de désintégration des bosons W ont été enregistrés. Cet exploit a valu à Carlo Rubbia et Simon van der Meer le prix Nobel de physique en 1984.

Le Modèle standard est une théorie générale qui décrit les interactions et les particules connues. L'une des principales tâches de la physique contemporaine est la vérification expérimentale de sa véracité. A l'heure actuelle, les scientifiques n'ont pas trouvé d'écarts aux prédictions de cette théorie, mais certaines mesures contiennent une grande marge d'erreur, et certaines sont si rares qu'il n'a probablement pas encore été possible de découvrir certains phénomènes, y compris en dehors du Modèle standard.

L'Université nationale de recherche nucléaire de Moscou MEPhI note que la possibilité d'étudier les processus de la naissance d'un triboson (boson Z et deux photons) est un indicateur important du fait que l'énergie et la luminosité accumulée sur le Grand collisionneur de hardons permettent aux chercheurs d'entamer l'étude des plus rares processus et les calculs les plus précis des prédictions du Modèle standard.

Ce travail s'est déroulé avec la participation des chercheurs de l'Université MEPhI, du Laboratoire national d'Argonne du ministère américain de l'Énergie, de l'Université Duke (USA) et de l'Université méthodiste du Sud (USA).