Le boson Z

Le boson Z est une particule élémentaire neutre, porteur de la force faible

Découvert en 1983 par des physiciens travaillant auprès du Supersynchrotron à protons (SPS) du CERN, le boson Z est une particule élémentaire neutre. Tout comme son cousin électriquement chargé, le W, le boson Z est porteur de la force faible.

La force faible est à peu près aussi forte que la force électromagnétique, mais elle apparaît plus faible parce que son influence est limitée par la masse importante des bosons Z et W. La masse de ces bosons limite en effet la portée de la force faible à environ 10-18 mètres, et son influence disparaît totalement au-delà du rayon d’un proton.

Enrico Fermi fut le premier à proposer un théorie de la force faible, en 1933, mais ce n’est que dans les années 1960 que Sheldon Glashow, Abdus Salam et Steven Weinberg mirent au point la théorie sous sa forme actuelle, en suggérant que force faible et force électromagnétique ne sont que deux manifestations différentes d'une seule et même force électrofaible. 

La force faible peut amener une particule telle qu’un proton à modifier sa charge par un changement de saveur des quarks qu’elle contient, avec l’émission d’un boson W chargé électriquement. En 1958, Sidney Bludman émettait l’idée qu’il pourrait y avoir une autre manifestation de la force faible, appelée « courant neutre faible », portée par un partenaire non chargé des bosons W, qui sera par la suite appelé boson Z.

C’est en 1973 que des physiciens travaillant sur l’expérience Gargamelle (une chambre à bulles) au CERN présentèrent les premiers éléments probants à l’appui de cette idée. Les neutrinos sont des particules qui n’interagissent que via l’interaction faible ; en envoyant des neutrinos dans la chambre à bulles, il fut possible de détecter indirectement la trace du courant neutre faible porté par le boson Z.

À la fin des années 1970, le CERN a converti ce qui était alors son plus grand accélérateur, le Supersynchrotron à protons, en collisionneur proton-antiproton, avec l’objectif de produire directement des bosons W et Z.  Les deux types de particules ont été observés pour la première fois grâce à cette machine en 1983. Par la suite, ces bosons ont été étudiés plus en détail aussi bien au CERN qu'au Laboratoire national Fermi, aux États-Unis. 

Au cours des années 1990, le Grand collisionneur électron-positon (LEP) du CERN et le Collisionneur linéaire du SLAC, aux États-Unis, ont produit des millions de bosons Z, ce qui a permis d'étudier ces particules.

Ces résultats ont mis en évidence la nécessité de chercher la dernière pièce manquante du Modèle standard : le boson de Higgs. En juillet 2012, des équipes de physiciens annonçaient avoir observé au CERN une nouvelle particule aux caractéristiques compatibles avec celles d'un boson de Higgs.

Il faudra certes encore un peu de temps et de nouvelles analyses pour déterminer s’il s’agit bien de la particule prédite par le Modèle standard ; toutefois, c'est bien la découverte des insaisissables bosons Z qui a ouvert la voie à cette avancée importante.

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