Ce qui pose un problème majeur pour la physique des particules, la particule pèse plus lourd que prévu

Le modèle que nous avons pour comprendre l’univers particules fondamentales Un peu comme une boîte de vitesses : un petit changement dans les propriétés d’une seule particule perturbe également la mécanique des autres particules.

Ainsi, lorsqu’un article de recherche est publié qui constate que la masse d’une seule particule fondamentale diffère légèrement de ce qui était précédemment accepté, cela fait plus que simplement étonner le monde de la physique. Si cela est vrai, une telle découverte pourrait signifier que la physique sous-jacente est « fausse » d’une manière qui n’a pas encore été déterminée, et changera La physique des particules pour les décennies à venir.

Notre compréhension des particules fondamentales, le modèle standard de la physique des particules, est l’une des plus grandes réalisations de l’humanité au cours des 150 dernières années. Il a fallu des milliers de physiciens et d’ingénieurs qui ont travaillé plus d’un siècle pour reconstituer toutes les pièces, de la découverte de l’électron en 1897 à la Découverte Du boson de Higgs hypermétrope en 2012.

Plus tôt ce mois-ci, après 20 ans d’analyse, les scientifiques du Collider Detector du Fermilab (CDF) ont annoncé qu’ils avaient effectué la mesure la plus précise de la masse du boson W. Après des millions d’expériences et d’observations, la mesure de masse a atteint 1,43385738×10-22 Grammes. (Cela semble léger, mais c’est plus lourd qu’il ne devrait l’être.)

La précision de la mesure de l’une des particules porteuses de force de la nature est remarquable : les scientifiques affirment que la masse ajustée de la particule est de 0,01 %, soit deux fois plus précise que la meilleure mesure précédente. Les résultats ont été publiés dans la revue Science.

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Mais il y a un gros problème : cette mesure est en conflit avec la valeur que les scientifiques utilisent dans les entrées théoriques du modèle standard. En d’autres termes, si c’est vrai, alors la mesure de la masse suggérerait que le modèle standard de physique – une théorie de référence qui explique les quatre forces connues dans l’univers et toutes les particules fondamentales – est sur un terrain instable.

Contrairement à d’autres particules fondamentales telles que les quarks, les électrons et les photons, le boson W n’est pas une particule que l’on apprendrait normalement à l’école. Cependant, comme ces particules, elles sont fondamentales pour la formation de la matière dans l’univers. Le boson W est une particule messagère de ce que l’on appelle la « force nucléaire faible », qui fait partie des quatre interactions fondamentales connues en physique des particules. Les autres sont l’électromagnétisme, l’interaction forte et la gravité. Alors que la force électromagnétique et la gravité sont normales pour les interactions humaines et la vie quotidienne, et que la force forte est ce qui maintient les noyaux atomiques ensemble, l’interaction faible n’est pas clairement visible. Cependant, la force faible est impliquée dans la désintégration radioactive des atomes et est tout aussi indispensable que les autres forces à la façon dont notre univers ressemble aujourd’hui à l’une des trois autres forces. L’interaction faible ne peut pas se produire sans l’aide du boson W.

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Pour effectuer la nouvelle mesure de la masse du boson W, les chercheurs ont utilisé les données de collision de Laboratoire national accéléré de Fermi, Un accélérateur de particules est désormais hors service dans l’Illinois. L’accélérateur de particules du Laboratoire Fermi projette des protons et des antiprotons les uns sur les autres à une vitesse proche de la lumière et observe de près l’explosion de particules énergétiques résultant des conséquences, puis révèle leurs propriétés.

Au cours de son fonctionnement, l’accélérateur a réussi à accumuler quatre millions de bosons filtres, dont les propriétés ont été mesurées à plusieurs reprises. Grâce à des calculs approfondis, les scientifiques se sont mis d’accord sur leurs mesures, qui étaient précises à sept écarts-types, bien plus que les cinq écarts-types qui conduisent à un résultat statistique de référence.

« Nous avons pris en compte notre meilleure compréhension de notre détecteur de particules ainsi que les progrès de la compréhension théorique et expérimentale des interactions du boson W avec d’autres particules. Lorsque nous avons finalement révélé le résultat, nous avons constaté qu’il différait de la prédiction du modèle standard. « 

Kotwal de l’Université Duke, qui a dirigé l’analyse et est l’un des 400 scientifiques de la collaboration CDF, Dit-elleDans un communiqué de presse. « Nous avons pris en compte notre meilleure compréhension de notre détecteur de particules ainsi que les progrès de la compréhension théorique et expérimentale des interactions du boson W avec d’autres particules. Lorsque nous avons finalement révélé le résultat, nous avons constaté qu’il différait de la prédiction du modèle standard. « 

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la différence? De nouvelles mesures placent le boson W à environ un dixième de un pour cent de masse en plus que prévu et accepté auparavant. Cela semble petit, mais c’est suffisant pour causer un énorme problème à la physique des particules – si c’est vrai.

Shum a déclaré que la nouvelle mesure de la masse du boson W « a perdu un pistolet fumigène ».

« Le fait que la masse mesurée du boson W ne corresponde pas à la masse attendue dans le modèle standard peut signifier trois choses. Soit les calculs sont erronés, soit la mesure est erronée, soit il manque quelque chose dans le modèle standard ». Il écrit Le physicien des particules à haute énergie John Conway en conversation.

En d’autres termes, apporter des modifications au modèle standard n’affecterait pas seulement le modèle standard – cela pourrait bouleverser toute la physique et notre compréhension de l’univers.

« Il appartient maintenant à la communauté de la physique théorique et à d’autres expériences de suivre cela et de faire la lumière sur ce mystère », a déclaré le porte-parole du CDF, David Tupac, dans un communiqué de presse. « Si la différence entre la valeur expérimentale et la valeur attendue est due à une sorte de nouvelle particule ou d’interaction subatomique, ce qui est une possibilité, il y a de fortes chances qu’elle puisse être détectée dans de futures expériences. »

Le modèle standard s’est avéré incroyablement efficace pour prédire les propriétés de ses particules constitutives, et même celles de particules inédites. En raison de leur nature merveilleusement prophétique, les physiciens sont impatients d’essayer de faire des trous, ce qui peut donner lieu à de nouvelles découvertes et à une nouvelle physique. En fait, comme j’ai parlé de salon En 2021, l’expérience Muon g-2 du Laboratoire Fermi a produit des résultats étranges qui étaient légèrement différents de ce que le modèle standard avait prédit – bien que ces résultats n’aient pas dépassé le « gold standard » de cinq écarts-types qui les rendraient définitifs.


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Mais lorsqu’il s’agit de faire des mesures très précises avec une petite marge d’erreur, certains physiciens disent qu’il est également probable que l’expérience ait des défauts, plutôt que le modèle standard.

« Vous pourriez demander : ‘Cela pourrait-il être un effet expérimental, une erreur empirique, et cela pourrait-il être une source de titrage pour cela ?’ Eh bien, c’est une possibilité », a déclaré Bruce Shum, professeur de physique à l’Université de Californie-Santa Cruz, et auteur de A livre populaire en physique des particules, dit-il à Salon. « Si la différence [in mass] C’est une erreur, peut-être oui, l’étalonnage du détecteur est une source très probable de cette erreur, donc l’erreur.

Shum a dit qu’il est important de faire la distinction entre santé Et jugementsNotez qu’une mesure inexacte peut être effectuée de manière très précise.

« La précision est l’ampleur de l’incertitude, et la précision est l’ampleur de l’erreur potentielle », a déclaré Shum. « Vous pourriez avoir quelque chose de très subtil, mais c’est extrêmement faux. »

Shum a déclaré que la nouvelle mesure de la masse du boson W du CDF « manquait un pistolet fumigène » – en particulier, une raison clairement définie pour laquelle d’autres mesures de différentes expériences ne concordent pas avec le résultat du CDF pour la masse du boson W.

« Il est concevable qu’il manque quelque chose à toutes les autres mesures et que la mesure CDF le fasse plus soigneusement et obtienne la bonne réponse », a déclaré Shum. « Mais je pense que selon toute probabilité, soit le résultat CDF est faux, soit l’autre ensemble de résultats est faux. »

Auparavant, Shum avait déclaré à Salon qu’il était « exagérément dramatique » de dire que le modèle standard serait complètement réécrit ou rétracté.

Shum a déclaré: « Le modèle standard a toujours, depuis le jour de son invention, été connu pour être la soi-disant » théorie efficace « . Il a comparé le modèle standard à la » pointe d’un iceberg « , où la pointe est bien observée. et compris même si nous ne savons pas très bien ce qui se trouve sous l’eau. » « Je parie de l’argent [the Standard Model] Il ne sera jamais renversé, en tant que représentation de cette pointe de l’iceberg.

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