L’expérience CMS au CERN est la toute dernière à produire une mesure de la masse du boson W, particule élémentaire vectrice, aux côtés du boson Z, de l’interaction faible. L’interaction faible est responsable d’une forme de radioactivité et à l’origine de la réaction de fusion nucléaire qui se produit dans le Soleil.

À l’occasion d’un séminaire organisé aujourd’hui au CERN, la collaboration CMS a rendu compte d’une analyse des données de collision proton-proton issues de la deuxième période d’exploitation du Grand collisionneur de hadrons, l’accélérateur phare du Laboratoire, aboutissant à sa première mesure de la masse de cette particule élémentaire.

La mesure de la masse du boson W obtenue est la plus précise jamais réalisée auprès du LHC. Elle est conforme aux prédictions du Modèle standard de la physique des particules et à toutes les mesures précédentes, à l’exception de la mesure effectuée par l’expérience CDF auprès du Tevatron, l’ancien collisionneur proton-antiproton du Fermilab.

Dans le Modèle standard, la masse du boson W est étroitement liée à l’intensité de l’interaction unifiant l’électromagnétisme et l’interaction faible, ainsi qu’aux masses du boson de Higgs et du quark top, ces paramètres contraignant sa masse à 80 353 millions d’électronvolts (MeV) avec une incertitude de 6 MeV.

Mesurer la masse du boson W avec une très grande précision permet de vérifier que tous ces éléments sont cohérents entre eux, de la façon prédite par le Modèle standard. Si ce n’est pas le cas, l’explication pourrait être à chercher dans des phénomènes relevant d’une nouvelle physique, tels que de nouvelles particules ou de nouvelles interactions.

Depuis la découverte au CERN du boson W, il y a plus de 40 ans, sa masse a fait l’objet de mesures de plus en plus précises par plusieurs expériences auprès de collisionneurs, au CERN comme ailleurs.La publication en 2022 par l’expérience CDF d’une valeur de masse étonnamment élevée a plongé la particule dans une véritable « crise de la quarantaine ». La masse du boson W d’après CDF, à savoir 80433,5 MeV avec une incertitude de 9,4 MeV, différait sensiblement de la prédiction du Modèle standard et des autres résultats expérimentaux, ce qui invitait à réaliser des études supplémentaires.

En 2023, la collaboration ATLAS, qui avait déjà effectué une première mesure de la masse du boson W en 2017, a publié une mesure améliorée obtenue à partir d’une nouvelle analyse de données de collision proton-proton issues de la première période d’exploitation du LHC. Ce résultat amélioré, à savoir 80 366,5 MeV avec une incertitude de 15,9 MeV, est conforme à l’ensemble des mesures effectuées précédemment, à l’exception de la mesure de CDF, qui détient toujours le record de précision, à savoir 0,01 %.

L’expérience CMS apporte donc à son tour sa pierre à l’édifice avec une première mesure de la masse du boson W. Ce résultat très attendu, indiquant une masse de 80 360,2 MeV avec une incertitude de 9.9 MeV, est d’une précision comparable à celle de la mesure de CDF, et conforme à toutes les mesures effectuées précédemment à l’exception du résultat obtenu par CDF.

« L’attente du résultat de CMS est désormais terminée. Après une analyse minutieuse de données de 2016 et de nombreux recoupements, la mesure par CMS de la masse du boson W est prête, affirme Patricia McBride, porte-parole sortante de CMS. Cette analyse représente la première tentative de mesurer la masse du boson W dans l’environnement de collision extrême que fut la seconde période d’exploitation du LHC. Le travail acharné de l’équipe a abouti à une mesure extrêmement précise de la masse du boson W, la plus précise jamais obtenue au LHC. »

« La détermination de la masse du boson W est particulièrement difficile car elle nécessite des mesures et des modélisations théoriques complexes de la production du boson W et de sa désintégration en un lepton (ici, un muon) et un neutrino indétectable, explique Gautier Hamel de Monchenault, nouveau porte-parole de CMS. En exploitant la capacité du détecteur CMS de mesurer les muons avec une grande précision, et en utilisant les avancées les plus récentes de la théorie, dont certaines ont été vérifiées par des analyses de recoupement, nous sommes parvenus à atteindre ce niveau de précision record. »

Ce résultat démontre une fois de plus les performances exceptionnelles du LHC et de ses détecteurs, qui repoussent toujours plus loin les limites de la précision et soumettent le Modèle standard et ses extensions à des tests de plus en plus rigoureux. Les données de la troisième période d’exploitation du collisionneur, ainsi que de son amélioration, le LHC à haute luminosité, devraient repousser ces limites encore plus loin.

Mesures de la masse du boson W rapportées au fil des ans par des expériences menées dans le monde entier. La mesure de CMS est la plus précise jamais réalisée au LHC et sa précision est comparable à celle de la mesure CDF. (Image : CMS/CERN)