En quête d'une nouvelle physique grâce à la production de multibosons

Publié par Redbran le 14/06/2020 à 13:00
Source: CERN
Lors de la conférence LHCP de cette année, les collaborations ATLAS et CMS ont présenté de nouveaux résultats relatifs à un processus physique appelé "diffusion de bosons massifs". CMS a également fait état de la première observation du phénomène de production de tribosons massifs. L'étude de ces processus pour tester le modèle standard est importante car elle pourrait mettre en lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm...) une nouvelle physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de...). Les résultats ont été présentés en ligne lors de la conférence virtuelle du LHCP, qui devait initialement se tenir à Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la...).


(Gauche) Événement candidat de CMS dans lequel deux bosons W et un boson Z sont produits et se désintègrent en trois électrons et un muon (Le muon est, selon le modèle standard de physique des particules, le nom donné à deux particules élémentaires de charge positive et négative. Les muons ont une masse 207 fois plus grande que celle de l'électron (105,6 MeV) et...).
(Droite) Évènement candidat d'ATLAS dans lequel deux bosons Z sont produits, ainsi que deux jets. Les bosons Z se désintègrent ensuite en deux électrons et deux muons.
Image: CERN

Lors des collisions de protons au LHC, de nombreuses particules sont produites, dont les porteurs de la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage...) électrofaible - les photons et les bosons W et Z. Ces bosons sont souvent simplement appelés bosons vecteurs dans le modèle standard. L'un des processus qui conduit à la production des paires est appelé diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une...) de bosons massifs.

Les processus liés aux bosons vecteurs sont une excellente sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà. Cela couvre à la fois les mesures in situ (champs électriques et...) pour rechercher des écarts par rapport aux prédictions théoriques. Deux processus rares qui présentent un intérêt particulier puisqu'ils sondent les auto-interactions de quatre bosons vecteurs sont la production de dibosons par diffusion de bosons vecteurs et la production de tribosons. L'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le...) et la mesure de ces processus sont importantes car elles permettent de tester le mécanisme de brisure de symétrie électrofaible, par lequel la force électrofaible unifiée se sépare en forces électromagnétique et faible dans le modèle standard, et sont complémentaires aux mesures de la production et de la désintégration du boson de Higgs (Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence a été proposée en 1964 par Gerry Guralnik, C.R. Hagen, et Tom Kibble; Robert Brout et François Englert (et nommé...).

Dans un processus de diffusion de boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés de symétrie particulières lors de l'échange de particules : un système de particules identiques se...) vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de multiplication par un scalaire. Un n-uplet...), un boson vecteur rayonne à partir d'un quark (Les quarks sont des fermions que la théorie du modèle standard décrit, en compagnie de la famille des leptons, comme les constituants élémentaires de la matière.) de chaque proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) et ces bosons vecteurs peuvent rebondir l'un contre l'autre pour produire un état final de diboson. La production de tribosons fait elle référence à la production de trois bosons vecteurs massifs.

Lors de la conférence du LHCP, les physiciens des collaborations ATLAS et CMS ont présenté de nouvelles recherches sur la production de paires de bosons Z via la production électrofaible incluant le mécanisme de diffusion du boson vecteur. ATLAS a observé ce processus à 5,5 sigmas et CMS a apporté des indices probants. CMS a également annoncé la première observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré...) d'un boson W (Le boson W existe sous deux états opposés de charges électriques notés W+ et W-. Les W+ et W- sont deux des trois bosons de jauge de l'interaction faible. Le troisième boson étant le boson Z) produit en association avec un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement...) par le processus de diffusion du boson vecteur, ainsi que des mesures plus précises de la production de WW de même signe, et qu'une observation de la production, par diffusion du boson vecteur, d'un boson W et d'un boson Z, complétant les observations précédemment réalisées par ATLAS.

Une autre façon de sonder l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) à quatre bosons est d'étudier la production très rare de trois bosons massifs ou tribosons. En avril dernier, l'expérience CMS a publié un résultat à 5,7 sigmas du phénomène des tribosons, l'établissant comme une observation solide, suite aux premiers indices de ce processus observés par l'expérience ATLAS l'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) dernière.

La plupart des processus physiques des particules fondamentales impliquent deux ou plusieurs particules individuelles qui interagissent entre elles via une particule intermédiaire qui est émise ou absorbée dans le processus.

"Plus il y a de bosons produits, plus l'événement est rare. Cette nouvelle observation des tribosons a été très difficile car il s'agit d'un processus beaucoup plus rare que celui qui a conduit à la découverte du boson de Higgs, et très intéressante car elle peut révéler des signes de nouvelles particules et d'interactions anormales", explique Roberto Carlin (Le carlin (vient du nom du comédien Carlo Antonio Bertinazzi) est une race de chien provenant de Chine (ils étaient les gardiens des temples dans l'ancien temps) et existant en Europe depuis au...), porte-parole de la CMS.

Dans les processus de diffusion du triboson et du boson vecteur, les bosons W et Z peuvent interagir entre eux pour créer plus de particules W et Z, produisant ainsi deux ou trois bosons. W et Z étant des particules très instables, elles se décomposent rapidement en leptons (électrons, muons, taus et leurs neutrinos correspondants) ou en quarks. Mais de tels processus sont extrêmement rares et les événements de dibosons et de tribosons que les physiciens recherchent sont aussi produits par des processus de bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.), ce qui les rend encore plus difficiles à analyser pour les physiciens.

"Pour séparer le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont...) du bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à...) de fond, les physiciens doivent être ingénieux et utiliser des algorithmes avancés d'apprentissage (L’apprentissage est l'acquisition de savoir-faire, c'est-à-dire le processus d’acquisition de pratiques, de connaissances, compétences, d'attitudes ou de...) automatique (L'automatique fait partie des sciences de l'ingénieur. Cette discipline traite de la modélisation, de l'analyse, de la commande et, de la régulation des systèmes dynamiques. Elle a pour fondements théoriques les mathématiques, la théorie du...). C'est une tâche difficile pour des processus aussi rares, et cela nécessite des études méticuleuses et approfondies", explique Karl Jakobs, porte-parole d'ATLAS.

Les mesures de la diffusion de bosons massifs et de la production de tribosons présentées au LHCP 2020 sont conformes aux prédictions du modèle standard, qui reste notre meilleure compréhension des particules fondamentales et de leurs interactions. Les observations ci-dessus fournissent également aux physiciens des outils pour sonder l'auto-interaction quartique entre les bosons électrofaibles massifs. Les mesures dont il est question limitent la force de ces interactions quartiques et la précision accrue obtenue grâce à l'utilisation de nouveaux ensembles de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) pourrait ouvrir des horizons (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline en physique,...) pour une nouvelle physique à des échelles d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) plus élevées dans le LHC et conduire à la découverte éventuelle de nouvelles particules.
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