Alors que le CERN a récemment annoncé ses plans de construction d’un successeur au LHC, le Future Circular Collider (FCC), celui-ci continue toutefois de fournir des informations précieuses aux physiciens. Récemment, les chercheurs ont identifié un événement rare dans les données issues de l’expérience CMS : la production d’un triplet de bosons W ou Z. La détection d’un tel triboson massif est intéressante car les prédictions du Modèle Standard (MS) concernant ces processus impliquent le caractère non abélien de la théorie et peuvent faire apparaître des interactions à quadribosons, et ainsi révéler l’existence d’une physique au-delà du MS.
Les physiciens de Caltech et leurs collègues utilisant le Grand collisionneur de hadrons (LHC) et son expérience Compact Muon Solenoid (CMS) rapportent une nouvelle observation d’événements très rares. La nouvelle observation implique la production simultanée de trois bosons W ou Z, des particules médiatrices (bosons de jauge) subatomiques qui portent l’interaction faible — l’une des quatre forces fondamentales connues — responsable du phénomène de radioactivité, ainsi qu’un élément essentiel des processus thermonucléaires au cœur des étoiles.
Les bosons de jauge sont une classe de particules qui comprennent également les photons, qui transportent la lumière (électromagnétisme) et les gluons qui lient les quarks entre eux (interaction forte). Les bosons W et Z sont similaires les uns aux autres en ce qu’ils portent tous deux la force faible, mais sont différents en ce que le boson Z n’a pas de charge électrique.
Triplet de bosons massifs : un événement rare au sein des collisions proton-proton
Les événements produisant les trios de bosons apparaissent lorsque des protons de haute énergie accélérés à presque la vitesse de la lumière entrent en collision au LHC. Lorsque deux protons entrent en collision, les quarks et les gluons dans les protons sont écartés, et les bosons W et Z peuvent ainsi apparaître ; dans de très rares cas, ils apparaissent sous forme de triplets : WWW, WWZ, WZZ et ZZZ. De tels triplets de bosons W et Z ne sont produits que dans une collision sur 10’000 milliards. Ces événements sont enregistrés à l’aide de CMS, qui entoure l’un des points de collision le long du trajet du LHC. Ces événements sont 50 fois plus rares que ceux générant le boson de Higgs.
Il est possible que les bosons W et Z auto-interagissent, permettant à ces derniers de créer encore plus de bosons W et Z ; ceux-ci peuvent se manifester comme des événements avec deux ou trois bosons massifs. Mais cette création reste rare, donc plus il y a de bosons produits, moins la réaction se fait. La production de deux bosons massifs a déjà été observée et mesurée avec une bonne précision au LHC.
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Tester avec précision les prédictions du Modèle Standard
La création de ces bosons n’était pas le but spécifique de l’expérience. En collectant suffisamment de données, y compris de nombreux événements avec des triplets de bosons et d’autres événements rares, les chercheurs seront en mesure de tester les prédictions du Modèle Standard avec une précision croissante et pourront éventuellement trouver et être en mesure d’étudier les nouvelles interactions qui se trouvent au-delà.
La prochaine série expérimentale de trois ans, prévue pour 2021-2024, est déjà en préparation. À la fin de cette série, l’équipement sera mis à niveau pour augmenter de 30 fois sa capacité de collecte de données. « Il y a beaucoup de potentiel non réalisé. Les masses de données que nous avons déjà collectées ne représentent encore que quelques pour cent de ce que nous prévoyons de collecter à la suite des mises à niveau majeures du CMS et du LHC, au LHC à haute luminosité prévu pour 10 ans à partir de 2027. Nous ne sommes qu’au tout début de ce programme de physique de 30 ans », concluent les chercheurs.