Top quarks candidats capturés au Collider Detector du Fermilab en 1994. (Laboratoire Fermi) Le monde de la physique des particules a été sur un terrain fragile ces derniers temps. Pendant des années, les chercheurs ont scruté les particules pour s'assurer que les règles que nous utilisons pour expliquer l'Univers tiennent le coup - avecdes résultats troublants et incohérents.
Pour ajouter à l'effort, les physiciens utilisant le Large Hadron Collider (LHC) ont maintenant mesuré la particule élémentaire connue la plus lourde avec une précision sans précédent.
Dans une victoire bien nécessaire pour leModèle standard de physique des particules– l'ensemble de règles qui prédisent le comportement de toutes les particules qui composent notre monde – les nouveaux calculs s'accompagnent d'une marge d'erreur nettement inférieure à la précédente, ce qui donne aux physiciens un regain de confiance dans la masse réelle de la particule.
Mais cela ne signifie pas que l'affaire est close – cette mesure pourrait n'être que le début d'une compréhension plus approfondie du fonctionnement de notre Univers.
La particule élémentaire en question est appelée quark supérieur , et c'est la plus massive de toutes les particules élémentaires connues, contribuant à une partie fondamentale de notre compréhension de l'Univers.
Surtout, il tire sa masse du couplage avec l'insaisissablele boson de Higgs. Ce partenariat est le couplage le plus fort à cette échelle que nous connaissions dans le Modèle standard .
(Alerte scientifique)
Il est également important de savoir en quoi le quark top se désintègre. Une fois qu'il a été créé par un collisionneur, le quark top ne peut se désintégrer que par une force faible, et il se désintègre en boson W (et, généralement, un quark bottom).
Si vous êtes un lecteur régulier d'Energyeffic, vous reconnaîtrez peut-être le W boson comme lecentre d'une controverse récente.
Après des années à essayer de percer des trous dans le modèle standard, les chercheursrécemment publiéun arriéré convaincant de preuves suggérant que les estimations précédentes de la masse du boson W pourraient en fait être erronées.
Si ces résultats sont davantage confirmés, cela suggérerait que l'ensemble du modèle standard pourrait être erroné.
Et c'est là que le quark top entre en jeu - nous pouvons utiliser sa masse pour faire des prédictions à la fois sur le le boson de Higgs et le boson W, il est donc crucial d'obtenir la mesure la plus précise possible.
'Remarquablement, notre connaissance de la stabilité même de notre Univers dépend de notre connaissance combinée des masses du boson de Higgs et du quark top', selon un communiqué de presse du Conseil européen pour la recherche nucléaire (CERN), qui a dirigé la recherche, explique .
«Nous savons seulement que l'Univers est très proche d'un état métastable avec la précision des mesures actuelles de la masse du quark top. Si la masse du quark top était ne serait-ce que légèrement différente, l'Univers serait moins stable à long terme, pouvant finir par disparaître lors d'un événement violent similaire à Big Bang .'
Bien qu'il puisse sembler simple de pouvoir « peser » ces particules comme nous le faisons avec des objets ordinaires pour connaître leur masse, ce n'est en fait pas si facile.
Pour produire une particule élémentaire telle qu'un quark top, les physiciens écrasent des particules subatomiques appelées protons dans des dispositifs tels que le Large Hadron Collider. Chaque collision entraîne le rejet d'une série d'autres particules, permettant aux chercheurs d'étudier ces sous-produits dans un environnement contrôlé.
Mais il est encore difficile d'observer réellement les propriétés de chaque particule. Lorsque nous commençons à parler à ces échelles incroyablement petites, nous entrons dans le domaine quantique - où les particules deviennent un peu floues et il est difficile de déterminer exactement quelle est leur masse.
Il existe plusieurs façons de contourner ce problème. La première consiste à exécuter une expérience un certain nombre de fois, puis à analyser statistiquement les résultats. Une autre consiste à utiliser différentes méthodes. Dans ce cas, les chercheurs ont mesuré directement la particule tout en effectuant une mesure à l'aide d'autres formes de données en combinaison avec la théorie établie (dans ce cas, appelée mesure de la masse de son pôle).
Selon les chercheurs, leur nouveau résultat est de 0,12 GeV plus précis que les calculs précédents basés sur les mêmes données, faisant de la particule 172,76 gigaélectronvolts (plus ou moins 0,3 gigaélectronvolt). Cela correspond assez bien à ce que nous attendons des théories basées sur le modèle standard, disent les chercheurs du CERN .
Mesure précédente de la masse du quark top et incertitude (à gauche) et dernières mesures (à droite). (CMS, LHC, CERN)
L'amélioration de la précision est due à de nouvelles méthodes d'analyse, qui utilisent plus de variables qu'auparavant pour mieux gérer les incertitudes entre les mesures.
La dernière mesure a examiné les données des collisions réalisées par le détecteur Compact Muon Solenoid (CMS) du LHC en 2016. Les chercheurs du CERN ont examiné cinq propriétés différentes des événements de collision qui avaient produit une paire de quarks top. Les propriétés qu'ils ont examinées dépendent de la masse du quark top - et les études précédentes n'avaient examiné que trois propriétés des événements.
L'équipe a ensuite calibré cet ensemble de données avec une extrême précision pour déterminer quelles incertitudes subsistaient - ils pourraient alors extraire ces incertitudes et mieux les comprendre lors de la détermination du meilleur ajustement pour la valeur finale de la masse du quark top.
Bien que ce résultat en soi soit un grand pas en avant pour la physique des particules et une victoire provisoire pour le modèle standard, Le CERN dit nous pouvons nous attendre à encore plus de précision lorsque la même approche est appliquée à l'ensemble de données collectées par le détecteur CMS en 2017 et 2018 - sans parler du futur,bat déjà des recordsvenir. Le LHC vient d'être rallumé après un arrêt de trois ans, etbat déjà des records.
Il est sûr de dire qu'avec cette mesure de masse mise à jour et la technique qui l'a fournie, nous sommes sur le point d'approfondir encore notre compréhension des aspects les plus infimes de l'Univers. Surveillez cet endroit.
Vous pouvez en savoir plus sur l'ensemble de données utilisé sur CERN .