La recherche scientifique pour expliquer la structure de l’univers a reçu un nouvel élan par la découverte que la particule responsable de l’une des quatre forces fondamentales est plus lourde que ne le permet la théorie existante.
Des physiciens travaillant au laboratoire Fermilab près de Chicago ont analysé les débris de millions de collisions d’accélérateurs de particules à haute énergie, avant de conclure que la masse étonnamment importante du boson subatomique W était incompatible avec le modèle standard qui sous-tend la physique.
Le modèle fournit une description cohérente mais incomplète de toutes les forces et particules du cosmos. Les physiciens savent que la théorie qui remonte aux années 1970 doit être étendue car elle peut décrire trois forces fondamentales – forte, faible et électromagnétique – mais pas la quatrième, qui est la gravité.
Cela ne peut pas non plus expliquer la mystérieuse matière noire et l’énergie noire qui, selon les observations des astronomes, dominent l’univers.
« La découverte a été une surprise », a déclaré Chris Hays, professeur de physique à l’Université d’Oxford et l’un des 400 scientifiques qui ont analysé un quart de siècle de données de l’accélérateur Tevatron du Laboratoire Fermi pour mesurer la masse du boson W. Le boson W, 80 fois plus lourd que le proton, est une particule porteuse de la force faible.
« C’est potentiellement un gros problème », a déclaré Hays à propos de la découverte, publiée jeudi dans la revue scientifique.
Les résultats ajouteront de l’urgence à la recherche de ce que les scientifiques appellent la « nouvelle physique » – une quête de longue haleine qui a été animée il y a une décennie lorsque les scientifiques du Large Hadron Collider au laboratoire du Cern près de Genève ont confirmé l’existence du boson de Higgs, le dernier élément constitutif de la matière prédit par le modèle standard.
« Si la différence entre la valeur expérimentale et la valeur attendue est due à une sorte de nouvelle particule ou d’interaction subatomique, il y a de fortes chances que ce soit quelque chose qui pourrait être découvert dans de futures expériences », a déclaré David Toback, professeur de physique et d’astronomie à la Texas A&M University. et l’un des principaux scientifiques derrière la recherche.
Son équipe a calculé la masse du boson W à 80 439 mégaélectronvolts (MeV), tandis que la valeur du modèle standard est de 80 357 MeV. Bien qu’ils ne diffèrent que de 0,1%, « si vous regardez l’histoire de la physique, les grandes percées sont souvent présagées par de très petits écarts », a déclaré Harry Cliff, physicien des particules à l’Université de Cambridge qui n’était pas impliqué dans le projet.
Par exemple, un écart d’un sur 12 millions entre les orbites prédites et observées de la planète Mercure était un indice clé pour la théorie de la relativité générale d’Einstein, a-t-il ajouté.
D’autres anomalies signalées par des expériences au Cern et au laboratoire Fermi impliquent la désintégration de particules subatomiques appelées quarks de beauté et le comportement magnétique des muons, qui sont des cousins lourds des électrons plus familiers.
« Les gens vont maintenant se concentrer sur la façon d’expliquer ces anomalies », a déclaré Hays. « Certaines théories pourront les accueillir et d’autres non. »
Certains physiciens ont préconisé un ajout au modèle standard appelé supersymétrie, affectueusement connu sous le nom de Susy. Il propose une panoplie de « superparticules » pour compléter les particules subatomiques du Modèle Standard.
À leur grande déception, aucun n’a encore été découvert au cours des recherches approfondies menées par les accélérateurs de particules du monde. Mais la découverte massive du bosco W pourrait donner un nouveau souffle à Susy.