La masse du boson W mesurée par CMS du LHC exclut l’anomalie à 7 sigma du CDF II du Tevatron

En physique des particules, la grande nouveauté de l’année 2022 a été la masse du boson W mesurée par le détecteur CDF II du Tevatron, 80 433,5 ± 9,4 MeV/c², la mesure la plus précise, mais 7 sigma du modèle standard (LCMF, 08 avril 2022); Cela a généré beaucoup de scepticisme, comme je l’ai dit lors de mon intervention au Naukas Bilbao 2022 (LCMF, 16 septembre 2022). Tout le monde attendait la mesure CMS du LHC, sur laquelle on travaille depuis 2014. Le résultat a été annoncé aujourd’hui lors d’une conférence de presse au CERN, une masse de 80 360,2 ± 9,9 MeV/c², en parfait accord avec le modèle standard, 80 357 ± 6 MeV/c². 16,8 fb⁻¹ de collisions à 13 TeV cm collectées en 2016 ont été analysées. La désintégration leptonique du boson W en un muon et un neutrino du muon a été recherchée ; L’analyse est très difficile car le neutrino n’est pas détecté, seule une perte de moment linéaire transverse est estimée (p_T). La technique d’analyse a été validée par des désintégrations « de type W » du boson Z en un muon et un antimuon, dans lesquelles l’un des deux muons est remplacé par une perte de moment linéaire (imitant ce qui a été observé pour le boson W) ; Une masse de 91 182 ± 14 MeV/c² a été obtenue, en bon accord avec le modèle standard 91188,0 ± 2,0 MeV/c². Sans aucun doute, le modèle standard sort très renforcé de cette nouvelle mesure. La balle est désormais dans le camp du CDF, comment expliquer la raison de son résultat anormal.

La caractéristique la plus remarquable du nouveau résultat de CMS est sa faible incertitude, 9,9 MeV/c², très similaire à celle de CDF II, 9,4 MeV/c², et inférieure à celle d’ATLAS, 15,9 MeV/c² et de LHCb, 32 MeV/c². La combinaison officieuse de la masse W de LHCb (2022), d’ATLAS (2024) et de CMS (2024) donne 80361,4 ± 8,1 MeV/c². Il faudra attendre la publication de la version finale de l’article scientifique, en attendant vous pourrez profiter de la version préliminaire, The CMS Collaboration, “Measurement of the W boson mass in proton-proton collisions at √s = 13 TeV, ” CMS PAS SMP -23-002, 17 septembre 2024 [CERN CDS]. Plus d’informations divulguées sur « L’expérience CMS au CERN évalue la masse du boson W. Le résultat très attendu est la mesure la plus précise de la masse W réalisée au LHC jusqu’à présent et est conforme à la prédiction du modèle standard de la physique des particules », CERN, 17 septembre 2024.

Cet événement du 16 octobre 2016 sur CMS (Solénoïde compact pour muons) montre la désintégration d’un boson W en un muon (rouge ci-dessus) et un neutrino (non observé, mais marqué d’une flèche violette). CMS est un détecteur d’environ 13 000 tonnes en forme de cylindre multicouche d’environ 21 mètres de long et 16 mètres de diamètre. La couche la plus interne est constituée des détecteurs de silicium pour les trajectoires des particules chargées (en jaune), qui sont entourés du calorimètre à scintillation électromagnétique (en vert) et des calorimètres hadroniques (non représentés sur la figure, ils seraient en bleu). Ces couches se trouvent à l’intérieur du solénoïde supraconducteur central de 3,8 Tesla, long de 13 mètres et diamètre de 6 mètres, qui courbe le trajet des particules chargées (en jaune). À l’extérieur (en rouge) se trouvent les détecteurs de muons, clé du jalon du nouvel article ; Il convient de noter que la grande précision du CMS dans l’estimation de la trajectoire, de l’énergie et de l’impulsion transversale des muons est essentielle pour estimer l’impulsion transversale du neutrino non observé. La détection des muons dans CMS a été calibrée avec les désintégrations des mésons J/ψ → µµ (bien que les désintégrations des beaux mésons Υ(1S) et du boson Z auraient pu être utilisées indépendamment).

Cette figure montre les résultats des estimations de la masse du boson Z (à gauche) par désintégrations de « type W », qui ont conduit au résultat 91 182 ± 7 (stat) ± 12 (syst) MeV/c², et du masse du boson W (à droite), 80 360,2 ± 2,4 (stat) ± 9,6 (syst) MeV/c², en p le grand nouveau résultat. Les points sont les données et les estimations théoriques (y compris les prédictions N³LL et NNLO) apparaissent en couleur. Le même algorithme d’analyse a été utilisé pour estimer la masse des bosons W et Z, bien que la coupure minimale de l’impulsion transversale pour les muons ait été p_T > 24 GeV/c pour W et p_T > 26 GeV/c pour Z (en raison de sa plus grande masse). Je ne souhaite pas entrer dans les détails de l’analyse (les personnes intéressées peuvent consulter l’annexe A de l’article, pp. 20-53, qui présente tous les détails).