Mesure de la masse du boson W en écart par rapport au modèle standard des particules

La masse du boson W pourrait être un petit peu plus grande que la masse déduite du modèle standard des particules. C'est la conclusion d'une équipe internationale qui a longuement analysé les données du détecteur CDF II du collisionneur américain Tevatron à Fermilab. Ce désaccord sur la masse du boson vecteur de l'interaction nucléaire faible pourrait mettre en lumière une nouvelle physique... L'étude est parue cette semaine dans Science.

Sonder la structure interne des neutrons avec des électrons et des positrons

Les propriétés fondamentales du neutron sont très importantes à connaître car elles ont des implications cruciales en astrophysique, depuis l'Univers primordial et la nucléosynthèse du même nom, jusqu'aux étoiles à neutrons aux propriétés déconcertantes, et à la production des noyaux atomiques les plus lourds, lors de fusions d'étoiles à neutrons ou d'explosions de supernovas. Des mesures précises de l'annihilation d'une paire électron-positron en une paire neutron-antineutron permettent aujourd'hui de "voir" à l'intérieur du neutron pour mieux comprendre sa structure complexe. L'étude de la collaboration internationale BESIII à l'origine de cette expérience inédite est publiée dans Nature Physics.

Annonce des résultats de Muon g-2 : Confirmation de l'écart avec le modèle standard (ou pas)!

Ce 7 avril 2021, la collaboration Muon g-2 a annoncé ses premiers résultats très attendus par de nombreux physiciens depuis 2004. Après avoir présenté les aspects théoriques ainsi que la complexité de la mesure expérimentale qui nécessite d'effectuer une série de corrections très fines et de réduire drastiquement les effets systématiques qui peuvent introduire des biais dans la mesure, le porte-parole de Muon g-2 a fini par dévoiler la valeur obtenue pour le paramètre a_µ. 

Muon g-2 à la recherche d'une nouvelle physique

Le 7 avril prochain sera dévoilé le résultat attendu depuis 17 ans d'une expérience américaine nommée Muon g-2 qui a pour objectif de mesurer le moment magnétique anomal du muon avec une très grande précision. Une version antérieure de cette expérience avait montré en 2004 un écart significatif avec la prédiction théorique du modèle standard de la physique des particules. Une confirmation de cette anomalie mettrait sur la piste d'une nouvelle particule, voire de toute une nouvelle physique, avec d'évidentes implications en astrophysique. Faisons donc un point sur cette mesure, son principe et ses enjeux, à deux semaines de la révélation du résultat qu'on espère positif (comme à peu près toute la communauté des physiciens, avide de changer de paradigme). 

Trop d'antiquarks down dans le proton

Une nouvelle expérience vient de trouver que les antiquarks virtuels down ne sont pas en même proportion que les antiquarks up dans les protons, alors qu'ils devraient l'être. Une anomalie qui n'a pas d'explication aujourd'hui. Une étude parue dans Nature cette semaine. 

Le petit mystère du kaon neutre

Une observation étrange dans une expérience de physique des particules japonaise étudiant la désintégration des kaons neutres semble montrer l'existence d'une nouvelle particule ou d'une nouvelle interaction. Même si ces résultats doivent encore être confirmés, une certaine excitation se fait sentir parmi les physiciens. Les interprétations possibles de ces premiers résultats sont publiés dans Physical Review Letters.

Première mesure de la pression interne dans un proton

Pour la première fois, une mesure de la pression régnant à l’intérieur du proton a été mesurée, et elle est absolument énorme, bien plus élevée que la pression que l’on rencontre au cœur des étoiles à neutrons !...

Le proton encore plus petit que ce qu'on pensait ?

L’élément le plus abondant dans l’Univers est l’hydrogène, composé d’un proton et d’un électron. La taille d’un proton est très petite, de l’ordre du femtomètre (ou fermi, soit 10^-15 m). Le rayon du proton est un paramètre physique déroutant, plusieurs mesures différentes donnant des résultats différents. Une nouvelle mesure par spectroscopie à haute résolution vient d’être publiée et ne résout pas le mystère, bien au contraire…

Un atome hybride antiprotonique pour mesurer avec précision la masse de l'antiproton

La masse de l'antiproton vient d'être mesurée avec une précision accrue, grâce à la production d'un atome d'hélium très particulier : un atome antiprotonique, où un antiproton remplace un électron.

Observation pour la première fois d'une asymétrie matière-antimatière dans la désintégration d'un baryon

Pour la première fois, une particule de type baryon, le Λb , montre des signes d'asymétrie entre matière et antimatière. Ce résultat vient d'être obtenu par l'expérience LHCb au CERN. Il s'agit de la première mesure du genre sur un baryon (les particules de la famille des protons et des neutrons), un phénomène encore jamais vu, et ouvre la voie vers l'explication de la domination de la matière sur l'antimatière dans l'Univers.

La taille du proton pose un vrai problème

Bien que très petit, un proton tient un certain volume, de quoi y mettre ses constituants : trois quarks et de nombreux gluons. La taille d’un proton est ainsi déterminée par ses constituants élémentaires et leurs interactions, et dépend donc intimement du modèle standard des particules et de la théorie de la chromodynamique quantique. Or la taille du proton reste aujourd’hui un sujet de controverse, étant différente selon la manière de la mesurer.

Un Proton de Taille Variable ?

C'est un résultat très mystérieux... Le proton, la particule sans doute la plus connue, qui est la brique élémentaire de tous les noyaux d'atomes (avec son cousin le neutron), et qui forme à lui tout seul le noyau du plus léger d'entre eux, l'hydrogène, peut être mesuré par des techniques très élaborées, par exemple en bombardant des atomes d'hydrogène avec des électrons puis en analysant comment se comportent les niveaux d'excitation des électrons à l'aide de lasers. Ces techniques convergent toutes vers une valeur de 0,87 femtomètres pour le proton (1 fm = 10-15 m, ou si vous préférez un millionième de milliardième de mètre).

C'est ce qu'on pensait depuis toujours (depuis que l'on fait ces mesures). Mais une autre technique un peu similaire existe, et emploie des muons au lieu d'électrons : on bombarde des atomes d'hydrogène avec un faisceau de muons. De cette manière, un muon (qui est un cousin plus lourd de l'électron) peut prendre la place de l'électron de l'atome d'hydrogène.

Ensuite, en excitant les niveaux d'énergie de l'atome muonique produit, on arrive indirectement à la valeur du rayon du proton. 

Schéma du proton composé de 3 quarks.

 Et là, stupeur! Les physiciens ne trouvent pas 0,87 fm, mais 0,84 fm ! La première expérience du genre utilisant des muons remonte à 2010.

Mais voilà qu'aujourd'hui, une nouvelle expérience effectuée là encore avec des muons mais utilisant des niveaux d'énergie d'excitation différents pour l'analyse et le calcul du rayon du proton donne à nouveau une valeur plus faible que celle obtenue avec des électrons : toujours 0,84 fm au lieu de 0,87 fm...  
 Aldo Antognini, du Swiss Federal Institute of Technology de Zurich, qui signe cette annonce dans la revue Science, précise que cette mesure est absolument compatible avec la précédente de 2010 effectuée avec des muons mais pas du tout avec toutes les autres effectuées avec des électrons....

Que ce passe-t-il ?

Personne n'est aujourd'hui capable de comprendre l'origine de cet écart. Les deux types d'expériences ne peuvent pas du tout être remises en cause, les barres d'incertitude sont beaucoup plus faibles que la différence observée...

Serait-ce une découverte inattendue d'une nouvelle physique ? Le muon se comporterait-il différemment de l'électron vis à vis du proton ?  L'effet devrait en tous cas être vraiment faible car il aurait été vu ailleurs, notamment au LHC...

Même si il est difficile d'imaginer une telle différence fondamentale entre les électrons et les muons, il est autant difficile de comprendre ce qui aurait pu clocher dans les expériences.

On en est là aujourd'hui : expérimentateurs et théoriciens se grattent la tête ...

source :

Antognini, A. et al.  

Science 339, 417–420 (2013).