Les chercheurs du groupe ATLAS à IJCLab viennent de franchir une étape significative dans la compréhension du secteur électrofaible du Modèle standard grâce à des mesures de haute précision des propriétés des bosons W±. Crédit photo : ATLAS - CERN /IJCLab.
Une recherche de précision sur les porteurs de la force faible
Depuis plus de 40 ans, les bosons W± et Z, découverts au collisionneur SPS du CERN, font l'objet d'études approfondies par la communauté scientifique. En tant que médiateurs de la force faible, leur caractérisation précise est essentielle pour notre compréhension fondamentale de la physique des particules.
Les physiciens du groupe ATLAS à IJCLab ont réalisé des mesures inédites de sections efficaces différentielles simples et doubles de la production de bosons W± (graphe ci-dessous) dans des collisions proton-proton à 5,02 TeV et 13 TeV.
Ces mesures ont été effectuées en utilisant des données collectées par le détecteur ATLAS avec des luminosités intégrées de 255 pb⁻¹ et 338 pb⁻¹ respectivement, dans des conditions expérimentales exceptionnelles de faible empilement (pile-up).
Contexte historique et scientifique
La découverte des bosons W± et Z en 1983 au CERN a constitué une confirmation majeure du Modèle standard de la physique des particules. Cette découverte, qui a valu le prix Nobel de physique à Carlo Rubbia et Simon van der Meer en 1984, a démontré l'unification des forces électromagnétique et faible dans ce qu'on appelle aujourd'hui la théorie électrofaible.
La masse du boson W est particulièrement importante car elle est liée à de nombreux autres paramètres du Modèle standard, notamment la masse du boson de Higgs découvert en 2012.
Des premières scientifiques remarquables dans un contexte compétitif
Cette recherche marque plusieurs premières pour la collaboration ATLAS dans un domaine où la précision des mesures est cruciale pour tester les limites du Modèle Standard :
- Première mesure des sections efficaces différentielles simples en fonction de l'impulsion transverse des leptons (pT)
- Première mesure des sections efficaces différentielles doubles
- Première mesure à 13 TeV et mesure améliorée à 5 TeV pour déterminer les asymétries de charge du boson W
Ces mesures du groupe ATLAS d'IJCLab viennent compléter et affiner celles réalisées précédemment par d'autres collaborations internationales.
Des résultats qui surpassent les prédictions théoriques
Un aspect remarquable de ces travaux est que les mesures expérimentales se révèlent plus précises que les prédictions théoriques calculées à l'ordre NNLO (next-to-next-to-leading order) avec resommation de l'impulsion transverse à précision NNLL (next-to-next-to-leading logarithmic), tout en restant en bon accord avec celles-ci.
NNLO et resommation NNLL correspondent aux méthodes de calcul théorique les plus avancées actuellement disponibles en physique des particules. Elles permettent d'obtenir des prédictions d'une très haute précision en incluant de multiples niveaux de corrections mathématiques et en optimisant le traitement de certains termes complexes. Le fait que les mesures obtenues surpassent en précision ces calculs de pointe souligne l'excellence technique atteinte et l'importance de ces nouvelles données.
Cette précision expérimentale sans précédent permet de contraindre davantage les modèles théoriques et potentiellement de révéler des écarts subtils qui pourraient indiquer une physique au-delà du Modèle Standard. La recherche de tels écarts est aujourd'hui une priorité dans la communauté de la physique des hautes énergies, étant donné que le Modèle Standard, malgré son succès remarquable, ne peut pas expliquer certains phénomènes comme la matière noire ou l'asymétrie matière-antimatière dans l'univers.
Impact sur la connaissance des PDFs dans une perspective plus large
Les sections efficaces différentielles simples en pseudo-rapidité η ont été utilisées pour étudier l'impact des mesures sur les fonctions de distribution de partons (PDFs) du proton. Cette analyse montre que la précision des PDFs peut être considérablement améliorée, en particulier pour les quarks de valence, jusqu'à un facteur 2 dans certaines régions cinématiques (figure ci-dessous).
Cette amélioration de notre connaissance des PDFs a des implications qui vont bien au-delà de la physique des bosons W. Les PDFs sont essentielles pour prédire les taux de production de tous les processus au LHC, y compris la production de particules hypothétiques prédites par des théories au-delà du Modèle Standard. Une meilleure connaissance des PDFs permet donc de renforcer la sensibilité des recherches de nouvelle physique au LHC.
Vers une meilleure détermination de la masse du boson W et ses implications
Les sections efficaces différentielles simples en impulsion transverse du lepton pT présentent une sensibilité à la masse du boson W (mW). Ces nouvelles mesures pourront être utilisées dans une analyse conjointe mW-PDF permettant, pour la première fois, de prendre correctement en compte la corrélation entre ces deux paramètres.
Cette avancée méthodologique est particulièrement importante car la mesure précise de mW est l'un des tests les plus rigoureux du Modèle Standard. En effet, la relation entre les masses des bosons W, Z et Higgs permet de vérifier la cohérence interne du modèle. Toute déviation significative pourrait indiquer l'existence de nouvelles particules ou interactions.
Récemment, des tensions ont émergé entre différentes mesures de mW, notamment entre les résultats de l'expérience CDF au Tevatron et celles d'ATLAS, CMS et LHCb au LHC. La nouvelle approche développée par le groupe d'IJCLab pourrait contribuer à résoudre ces tensions en offrant une méthode plus robuste qui tient explicitement compte des incertitudes liées aux PDFs.
Méthodologie et conditions expérimentales exceptionnelles
La publication révèle que ces mesures ont été réalisées dans des conditions expérimentales particulièrement favorables. Les données ont été collectées durant des sessions dédiées en 2017 et 2018 avec un faible empilement d'environ 2 collisions proton-proton par croisement de faisceaux, soit environ 20 fois moins que lors des opérations normales du LHC.
Ces conditions uniques ont permis une excellente résolution dans la mesure du recul hadronique, un paramètre crucial pour ce type d'analyse. La précision expérimentale atteinte est meilleure que 0,5% dans la plus grande partie de l'espace de phase, en dehors de l'incertitude liée à la mesure de la luminosité. Leur exploitation ne s’arrête pas là : une analyse en cours vise à les utiliser pour obtenir une mesure précise et indépendante de mW.
Perspectives futures
Ces résultats ouvrent plusieurs voies de recherche prometteuses :
- L'exploitation de ces mesures pour une détermination plus précise de la masse du boson W, en tenant compte correctement des corrélations avec les PDFs.
- L'utilisation de ces contraintes améliorées sur les PDFs pour affiner d'autres mesures et recherches au LHC.
- La possible extension de cette méthodologie à d'autres processus électrofaibles, comme la production de bosons Z pour tester davantage le Modèle standard.
- La recherche d'écarts subtils par rapport aux prédictions du Modèle standard qui pourraient indiquer une nouvelle physique.
Une contribution majeure d'IJCLab dans le paysage international
Les membres du groupe ATLAS à IJCLab ont joué un rôle prépondérant dans cette étude, depuis l'analyse des données jusqu'aux calculs des prédictions théoriques, en passant par l'étalonnage des électrons. Leur expertise a été déterminante dans l'obtention de ces résultats de haute précision.
Cette contribution souligne l'excellence de la recherche française en physique des particules et la place importante qu'occupe IJCLab dans la collaboration internationale ATLAS, l'une des plus grandes expériences scientifiques au monde. Ce travail s'inscrit dans une longue tradition d'excellence de la physique des particules française, depuis les travaux pionniers de physiciens comme Louis de Broglie jusqu'aux contributions actuelles aux grandes collaborations internationales.
Pour aller plus loin
- Lire la publication complète "Measurement of W±-boson differential cross-sections in proton-proton collisions with low pile-up data at √s = 5.02 TeV and 13 TeV with the ATLAS detector" – 13/02/2025.
- Lire l'article de l'European Physics Journal : ATLAS Collaboration. Measurement of -boson differential cross-sections in proton–proton collisions with low pile-up data at √s = 5.02 TeV and 13 TeV with the ATLAS detector. Eur. Phys. J. C 85, 729 (2025). - 02/07/2025