L’expérience LHCb a fait un bond en avant dans le domaine de la physique de précision au Grand collisionneur de hadrons (LHC). Dans un nouvel article publié dans la revue Physical Review Letters, la collaboration LHCb annonce avoir mesuré pour la première fois la masse du boson Z au LHC, en utilisant des données de collisions de haute énergie enregistrées en 2016, durant la deuxième période d’exploitation du collisionneur.

Le boson Z est une particule massive et électriquement neutre vectrice de la force nucléaire faible, l’une des quatre forces fondamentales de la nature. Avec une masse d’environ 91 milliards d’électrovolts (GeV), il se classe parmi les particules élémentaires les plus lourdes connues à ce jour. Découvert au CERN il y a plus de 40 ans, en même temps que le boson W, le boson Z a joué un rôle central dans la confirmation du Modèle standard de la physique des particules – véritable percée qui a été couronnée par le prix Nobel de physique 1984. Connaître avec précision la masse du boson Z est indispensable pour pouvoir tester le Modèle standard et rechercher des signes d’une nouvelle physique.

Les nouvelles mesures réalisées par LHCb s’appuient sur un échantillon de 174 000 bosons Z se désintégrant en paires de muons, particules apparentées à l’électron, mais plus massives. La masse mesurée est de 91 184,2 millions d’électronvolts (MeV), avec une incertitude de seulement 9,5 MeV, soit de l’ordre de 0,01 pour cent.

Ce résultat correspond aux mesures du collisionneur électron-positon (LEP), prédécesseur du LHC, et du détecteur CDF auprès du Tevatron, ancien collisionneur proton-antiproton du Fermilab, aux États-Unis. En outre, la précision obtenue correspond à la précision de la prédiction du Modèle standard, dont l’incertitude est de 8,8 MeV (voir le schéma ci-après).

Les mesures réalisées par LHCb montrent que ce degré de précision peut être atteint au LHC malgré l’environnement complexe des collisions proton-proton, au cours desquelles de nombreuses particules sont produites simultanément.

Cette avancée ouvre la voie à de nouvelles études de la masse du boson Z au LHC et au futur LHC à haute luminosité, notamment à des analyses très attendues des expériences ATLAS et CMS. Il convient de noter que les incertitudes expérimentales concernant les mesures de la masse du boson Z diffèrent en fonction des détecteurs du LHC ; on peut donc obtenir une incertitude moindre en faisant la moyenne des différentes mesures.

« Le LHC à haute luminosité pourrait remettre en question la précision des mesures de la masse du boson Z effectuées au LEP, ce qui était inconcevable au début du programme LHC, explique Vincenzo Vagnoni, porte-parole de LHCb. Cela ouvrira de nouvelles perspectives pour les futurs collisionneurs proposés, tels que le FCC-ee, en vue d’atteindre un degré de précision encore plus élevé. »

Plus d'informations sur le site de LHCb.