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Révéler les secrets de la nature : la diffusion de bosons au LHC

Révéler les secrets de la nature : la diffusion de bosons au LHC

En 2017, les collaborations ATLAS et CMS ont annoncé la détection d’un processus dans les collisions proton-proton à haute énergie qui n’avait pas été observé auparavant : la diffusion de bosons vecteurs.

Elle entraîne la production de deux particules W ayant la même charge électrique ainsi que de deux jets de particules collimatées appelés "jets" (voir figure 2).

Figure 2 : Vue simplifiée d’un événement de collision proton-proton enregistré avec le détecteur ATLAS qui a été sélectionné comme candidat pour la production de diffusion vecteur-boson. L’encart représente une vue schématique du processus physique candidat. Les protons (p) du faisceau LHC se déplacent de gauche à droite et de droite à gauche dans cette vue. Ils entrent en collision à peu près au centre du détecteur. Dans un laps de temps très court, trop court pour être résolu, deux bosons W sont émis indépendamment par les quarks entrants (q) de chacun des faisceaux de protons du LHC. Ces bosons W interagissent et chacun des bosons W résultants se décompose en un muon (μ) et un neutrino (ν), où les neutrinos laissent le détecteur ATLAS non détecté. Les quarks sortants subissent un processus appelé hadronisation et se manifestent sous la forme d’un jet de particules appelé "jet". (Image : ATLAS Collaboration/CERN)

L’observation de la diffusion de bosons vecteurs n’a pas reçu autant d’attention de la part des médias que la découverte de Higgs en 2012, même si elle a été un événement important pour la communauté de la physique des particules. Une autre pièce manquante du grand puzzle avait été trouvée - le puzzle qui est la description mathématique du monde microscopique (voir figure 1).

Figure 1 : "Errer vers l’incommensurable", une sculpture conçue par Gayle Hermick accueille les visiteurs du CERN. De l’écriture cunéiforme des Mésopotamiens au formalisme mathématique à l’origine de la découverte du boson de Higgs, la sculpture raconte l’histoire de la transmission des connaissances à travers les générations et illustre la nature esthétique des mathématiques qui sous-tendent la physique. (Image : J. Guillaume/CERN)

Les bosons W+ et W- sont des particules instables, qui se désintègrent (se transforment) en lepton et antilepton ou en quark et antiquark avec une durée de vie moyenne de quelques 10-25 secondes seulement. Ils ont un spin entier (caractéristique des bosons) et sont porteurs de la force faible. Bien que la force faible ne soit pas directement ressentie dans la vie quotidienne, elle est néanmoins importante car elle est responsable de la désintégration radioactive β, qui joue un rôle dans la fusion de l’hydrogène en hélium qui alimente le processus thermonucléaire du Soleil.

Pour apprécier l’importance de cette découverte, il est instructif de suivre l’histoire de l’introduction des bosons W+ et W- et de savoir comment et pourquoi ils ont été introduits ; cela illustre bien comment l’interaction entre les informations expérimentales, les modèles théoriques et les principes mathématiques est à l’origine des progrès de la physique.

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Découvrir le texte de Lucia Di Ciaccio et Simone Pagan Griso, en intégralité sur le site de la collaboration ATLAS : https://atlas.cern/updates/atlas-feature/vector-boson-scattering