Éprouver le Modèle Standard des particules est important dans un contexte de recherche d’une nouvelle physique au-delà du Modèle Standard. Pour la première fois, des physiciens ont mesuré avec précision la charge faible du proton et ainsi posé une contrainte forte sur les niveaux d’énergie auxquels une nouvelle physique pourrait se manifester. 

Il existe quatre interactions fondamentales au nombre desquelles l’électromagnétisme, la gravité, l’interaction nucléaire faible et l’interaction nucléaire forte. Seules les deux premières ont un effet à l’échelle macroscopique et nous sont donc plus familières. Les deux dernières nous sont généralement moins connues, leurs effets ne s’appliquant qu’à l’échelle subatomique. Les propriétés physiques de ces deux interactions, la charge de couleur pour l’interaction forte et la charge faible pour l’interaction faible, restent encore nébuleuses pour les chercheurs. Dans un papier publié dans la revue Nature, la collaboration Jefferson Lab Qweak présente la première valeur précise de la charge faible du proton, posant ainsi une contrainte stricte sur la physique au-delà du Modèle Standard.

L’interaction forte est si intense qu’elle lie les quarks entre eux par l’intermédiaire des gluons et les oblige ainsi à n’exister que sous forme de structures compactes – c’est le mécanisme du confinement de couleur – appelées « hadrons ». L’interaction faible quant à elle, est si peu intense que ses effets sont presque totalement masqués par l’électromagnétisme. « Mesurer les propriétés de l’interaction faible est difficile car elle est bien plus faible que l’électromagnétisme » explique Ross Young, physicien à l’université d’Adélaïde (Australie). Pour mesurer la valeur de la charge faible du proton, les chercheurs ont donc dû contourner la faiblesse de cette interaction en se tournant vers un autre aspect de celle-ci : la symétrie de parité.

La symétrie est un concept extrêmement important en physique, et notamment en physique des particules, car elle intervient dans un certain nombre de mécanismes. Certaines symétries sont préservées dans l’univers, c’est-à-dire que si certaines propriétés étaient inversées, les lois physiques resteraient les mêmes. C’est par exemple le cas pour une inversion de la charge (symétrie de charge) ou du temps (symétrie temporelle). Pour l’espace, la symétrie s’avère plus complexe. La symétrie d’espace, encore appelée « symétrie de parité », est l’inversion des coordonnées spatiales (xyz) → (−x, −y, −z). Ainsi, un processus conserve la symétrie de parité s’il est le même que son image miroir.

helicite proton

Les particules peuvent être orientées selon leur hélicité : l’hélicité peut être droite (spin dans le sens du mouvement) ou gauche (spin dans le sens opposé du mouvement). Pour leur expérience, les physiciens ont projeté des électrons d’hélicités droite et gauche sur des protons afin de mesurer la violation de la symétrie de parité. Crédits : The Jefferson Lab Qweak Collaboration

De la même manière qu’une personne est droitière ou gauchère, les particules le sont également. Cette propriété se nomme l’« hélicité » ; une particule possède une hélicité droite (positive) si son spin est orienté dans le sens de son mouvement, et une hélicité gauche (négative) dans le cas contraire. L’interaction faible est la seule à violer la symétrie de parité, la charge faible peut ainsi être déterminée en comparant la dynamique des particules d’hélicités droite et gauche.

Afin de mesurer la charge faible du proton, les physiciens ont bombardé des protons avec des faisceaux d’électrons d’hélicités différentes. Ils ont ensuite mesuré une asymétrie correspondant à la différence dans la probabilité qu’un électron droit ou gauche soit dévié par le proton. Les auteurs ont relevé une asymétrie de –226.5 ± 9.3 parties par milliard, le signe « – » indiquant une probabilité de déviation plus élevée pour les électrons gauches. Pour prendre conscience de l’amplitude et la précision de cette asymétrie, l’on peut prendre l’analogie suivante : si la symétrie de parité était violée dans le cas de la hauteur des montagnes, le mont Everest et son image miroir différeraient de 2 mm, et cette différence aurait été mesurée avec une précision de ± 80 µm.

Les résultats obtenus sont bien plus précis que toutes les expériences menées auparavant. Le SLAC National Accelerator Laboratory (Californie) avait précédemment obtenu une précision comparable, mais pour la charge faible de l’électron. La collaboration Qweak a utilisé les valeurs de cette asymétrie pour déterminer une valeur de 0.0719 ± 0.0045 pour la charge faible du proton. Cette valeur correspond aux prédictions théoriques du Modèle Standard.

Déterminer la charge faible du proton avec une telle précision permet de poser de fortes contraintes sur le Modèle Standard. Les physiciens cherchent à savoir si, et à quelle échelle d’énergie, les théories actuelles échouent à expliquer certaines données expérimentales. Un tel échec pourrait impliquer l’existence d’une cinquième interaction fondamentale opérant à hauts niveaux d’énergies. « Si les valeurs mesurées différaient des prédictions théoriques, cela pourrait être une forte indication en faveur d’une nouvelle force inconnue agissant entre les particules élémentaires » explique Young.

Les mesures de la collaboration Qweak révèlent que si une telle interaction existe, elle devrait manifester ses effets à des niveaux d’énergie de plusieurs TeV. La limite posée par les auteurs concernant la physique au-delà du Modèle Standard est comparable à celle déterminée par les expériences menées au LHC (Cern), alors que les faisceaux d’électrons utilisés sont des milliers de fois plus faibles que les collisions de protons du LHC. En continuant à mesurer les propriétés physiques des particules, comme la charge faible, avec toujours plus de précision, une nouvelle physique pourrait émerger et révolutionner nos théories actuelles.

Source : Nature

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