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Le boson W fête ses 40 ans

Il y a 40 ans, le CERN annonçait la découverte de la particule chargée porteuse de la force faible, l'une des quatre forces fondamentales de la nature

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Première production directe, fin 1982, du boson W de l'expérience UA1. (Image: CERN)

Le 25 janvier 1983, des physiciens du CERN annonçaient avoir observé une nouvelle particule élémentaire : le boson W. De même que le boson Z, son homologue électriquement neutre qui sera découvert plus tard dans l'année, le boson W, chargé électriquement, est vecteur de la force faible, l'une des quatre forces fondamentales de la nature.

En portant cette force, le boson W permet les réactions de fusion nucléaire qui alimentent le Soleil, sans lesquelles la vie telle que nous la connaissons ne serait pas possible. Le boson W est également responsable d'une forme de radioactivité – la désintégration bêta – qui est couramment utilisée en médecine.

La découverte du boson W résulte d'une idée proposée en 1976 par Carlo Rubbia, Peter McIntyre et David Cline. Les trois physiciens suggérèrent de convertir le Supersynchrotron à protons (SPS) – à l'époque, le plus grand accélérateur jamais construit au CERN – en une machine à faire entrer en collision des protons et des antiprotons (l'équivalent en antimatière des protons) à une énergie suffisamment élevée pour produire des bosons W et Z. Cette idée audacieuse, associée à l'ingénieuse technique de refroidissement stochastique imaginée par Simon van der Meer, qui permettait de réduire la taille et d'augmenter la densité d'un faisceau de protons et, plus tard, d'un faisceau d'antiprotons, a abouti à la construction des détecteurs UA1 et UA2 auprès du SPS transformé, chargés de traquer, à partir de 1981, les bosons W et Z.

Deux ans plus tard, lors d'un séminaire qui s'est tenu le 20 janvier 1983 dans l'amphithéâtre principal du CERN, Carlo Rubbia, porte-parole de la collaboration UA1, présente six événements candidats pour le boson W. L'après-midi suivant, Luigi Di Lella, porte-parole de la collaboration UA2, présente quatre événements candidats pour ce même boson. Enfin, le 25 janvier 1983, le CERN annonce au monde la découverte de la nouvelle particule.

Et, pour couronner le tout et marquer le succès du nouveau SPS, la découverte du boson W fut suivie quelques mois plus tard par celle du boson Z, dont une première indication indirecte avait été observée au CERN une décennie plus tôt, dans la chambre à bulles Gargamelle.

L'observation des bosons W et Z venait confirmer la théorie de l'interaction électrofaible qui unifie la force électromagnétique et la force faible et requiert l'existence du boson de Higgs, découvert en 2012 au Grand collisionneur de hadrons (LHC). Élaborée dans les années 1960 par Sheldon Glashow, Abdus Salam et Steven Weinberg, et renforcée dans les années 1970 par Gerard ‘t Hooft et Martinus Veltman, cette théorie constitue à présent un élément essentiel du Modèle standard de la physique des particules.

La découverte des bosons W et Z valut à Carlo Rubbia et à Simon van der Meer le prix Nobel de physique 1984, et a contribué à la décision de construire un nouvel accélérateur, le Grand collisionneur électron-positon (LEP), qui a permis d'étudier en détail les bosons W et Z.

Quarante ans plus tard, après de nombreuses recherches menées au LEP et auprès d'autres collisionneurs, notamment le LHC, les bosons W et Z se dévoilent progressivement offrant aux scientifiques de nouveaux moyens d'explorer les propriétés et le comportement de la matière aux échelles les plus petites.

En 2021, par exemple, la collaboration ATLAS annonçait avoir observé la production simultanée de trois bosons W, un phénomène rare ; CMS, de son côté, obtenait des mesures de haute précision de la transformation de bosons Z en particules invisibles. Et en 2022, sur la base de données recueillies lors de l’exploitation de l'accélérateur Tevatron, la collaboration CDF (au Fermilab, aux États-Unis) annonçait la mesure la plus précise jamais réalisée de la masse du boson W. Cependant, la valeur de la masse du boson W annoncée par CDF ne concorde pas avec les résultats précédents, notamment avec les premiers, obtenus au LHC par les collaborations ATLAS et LHCb ; de nouvelles mesures plus précises seront donc nécessaires.

Les travaux de recherche sur les bosons W et Z se poursuivront au LHC et au LHC à haute luminosité (HL-LHC).

Lors d'un séminaire qui s'est tenu le 20 janvier 1983, Carlo Rubbia, porte-parole de la collaboration UA1, présente six événements candidats pour le boson W. (Vidéo : CERN)

Un article du CERN Courier retrace la découverte du boson W (en anglais).