Bosons W et Z

Le boson W et le boson Z sont les particules médiatrices de l'interaction faible. Toute interaction d'un neutrino avec la matière passe par l'un des deux.

Les masses

Leur propriété la plus frappante est leur poids :

Un proton pèse un peu moins d'un gigaélectronvolt. Ces particules médiatrices sont donc environ quatre-vingts à quatre-vingt-dix fois plus lourdes qu'un proton entier — alors que le photon, qui transmet la force électromagnétique, n'a aucune masse.

De cette masse découle la portée minuscule de la force faible et, avec elle, la lourdeur de tous les processus neutriniques.

Ce qu'ils produisent

Le boson W change l'identité. Lors de la désintégration bêta, un quark down du neutron se transforme en un quark up et émet ce faisant un W⁻, qui se désintègre aussitôt en un électron et un antineutrino. De tels processus s'appellent courants chargés.

Le boson Z ne change rien à l'identité, mais transfère seulement de l'énergie et de l'impulsion. Un neutrino peut être diffusé par un noyau atomique et rester neutrino. Ces courants neutres, la théorie électrofaible les avait prédits, et Gargamelle les trouva en 1973.

Sur un courant neutre repose aussi la diffusion cohérente sur les noyaux atomiques, qui rend possibles les petits détecteurs actuels.

La découverte de 1983

Les deux furent mis en évidence en 1983 au CERN, dans les expériences UA1 et UA2.

Le chemin qui y mena est remarquable. Pour engendrer des particules de cette masse, il fallait des collisions d'une énergie jusqu'alors inatteinte. Carlo Rubbia imposa la transformation d'un accélérateur existant : au lieu de tirer des protons sur une cible fixe, protons et antiprotons devaient courir les uns contre les autres.

Le problème était de rassembler assez d'antiprotons et de les regrouper en un faisceau utilisable. Simon van der Meer mit au point pour cela le refroidissement stochastique — un procédé qui mesure en continu le mouvement des particules et l'amortit par des corrections ciblées, jusqu'à ce que le faisceau soit assez étroit.

Tous deux reçurent pour cela le prix Nobel dès 1984, l'une des attributions les plus rapides de l'histoire du prix.

L'ordre des choses est remarquable : Glashow, Salam et Weinberg avaient reçu le prix dès 1979 pour la théorie, donc avant que leurs particules ne soient trouvées. Le résultat de Gargamelle avait suffi à convaincre les spécialistes.

Le nombre d'espèces de neutrinos

Le boson Z a fourni à la physique des neutrinos l'un de ses chiffres les plus importants.

Un boson Z peut se désintégrer en diverses paires de particules, dont un neutrino et son antiparticule. De telles désintégrations, on ne les voit pas — mais elles raccourcissent la durée de vie du Z et élargissent ainsi sa courbe de résonance.

De la largeur mesurée, on peut donc déduire en combien de canaux invisibles il peut se désintégrer. Les mesures au Large Electron-Positron Collider, auxquelles participa entre autres Jack Steinberger, donnèrent à partir de 1989 une valeur claire : trois espèces légères de neutrinos.

C'est un exemple type de mesure indirecte. On compte quelque chose que l'on ne voit pas, en mesurant la vitesse à laquelle autre chose se désintègre.

Cette mesure n'exclut pas les neutrinos stériles, car ceux-ci ne se coupleraient par définition pas au Z. Mais pour tous les neutrinos ordinaires, le nombre est ainsi fixé — et la matrice PMNS a exactement trois lignes et trois colonnes parce que cette mesure l'exige.

Un chiffre qui a semé le trouble

En 2022, la collaboration CDF au Fermilab présenta une mesure très précise de la masse du W — et la valeur se situait nettement au-dessus de la prédiction du modèle standard, bien au-delà des incertitudes indiquées.

Cela aurait été une fissure dans l'édifice, car la masse du W est liée par la théorie à d'autres grandeurs mesurées et n'est donc pas librement ajustable.

Des mesures ultérieures au CERN aboutirent cependant à des valeurs compatibles avec le modèle standard. L'écart passe aujourd'hui majoritairement pour un effet d'analyse d'une seule expérience.

L'épisode est instructif : une mesure isolée, même très précise, ne suffit pas tant qu'elle n'est pas confirmée de manière indépendante — pas même lorsque sa signification statistique impressionne.

Termes apparentés

• Interaction faible
• Gargamelle — les courants neutres
• Jack Steinberger — le nombre de familles
• Modèle standard

Sources

• Collaboration UA1 : Experimental observation of isolated large transverse energy electrons with associated missing energy, Physics Letters B 122, 103 (1983).
• ALEPH, DELPHI, L3, OPAL : Precision electroweak measurements on the Z resonance, Physics Reports 427, 257 (2006).