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Le côté faible du proton
Les expériences réalisées sur les muons à l'Institut Paul Scherrer confirment les prédictions du modèle standard de cette particule élémentaire.
Une équipe de recherche internationale a déterminé avec une grande précision la participation du proton à l’interaction faible (une des quatre forces fondamentales de la nature). Les résultats confirment les prédictions théoriques du modèle standard de la physique des particules. Lors de l'expérience, il a été mesuré la probabilité de capture des muons par des protons. Ce processus est gouverné par l’interaction faible. L'expérience a été réalisée à l'Institut Paul Scherrer PSI, le seul endroit au monde produisant suffisamment de muons pour permettre une expérience sur une durée raisonnable. Les chercheurs ont veillé à éviter non seulement les nombreuses sources d'erreur techniques, mais également les sources d'erreur "psychologiques". Un processus astucieux leur éviter de se laisser influencer inconsciemment, lors de l'analyse des résultats, par les prédictions théoriques. La description moderne du processus analysé se base sur des idées développées il y a 50 ans par le physicien américain Y. Nambu, qui a reçu le Prix Nobel de physique en 2008. Ce n’est qu’aujourd’hui qu’il est possible de vérifier les prévisions théoriques avec la précision nécessaire. Le projet prouve que la physique des particules a besoin non seulement d'expériences réalisées sur les grands accélérateurs de particules à haute énergie, mais également d’expériences de précision, avec des faisceaux intenses, de basse énergie pour lesquelles le PSI offre les conditions idéales. Le résultat a été publié dans la revue scientifique Physical Review Letters. L'American Physical Society a honoré le résultat en le sélectionnant comme fait marquant sur son site web.
" L’interaction faible est l'une des quatre forces fondamentales de la nature. Même si elle ne fait pas partie de ce que nous voyons au quotidien, elle participe tout de même à de nombreux processus d'importance, comme la création d'énergie dans le Soleil ou la désintégration des particules", explique Klaus Kirch, responsable du Laboratoire de Physique des particules du PSI. Par ailleurs, il s'agit d'une composante indispensable du modèle standard, ce modèle est considéré comme la meilleure description du monde des particules élémentaires. Une équipe internationale de chercheurs américains, russes, belges et suisses a analysé avec précision la manière dont le proton participe à l’interaction faible. Concrètement, ils ont déterminé le "couplage pseudo scalaire", une des constantes de couplage déterminant l’intensité de l’interaction faible pour le proton. Le proton est un des composants fondamentaux de la matière qui nous entoure. Il se compose lui-même de sous-particules: les quarks et les gluons. Il en résulte un comportement complexe des protons, comportement qu'il n'est pas encore possible de calculer précisément avec les ordinateurs. Toutefois, des extensions à basse énergie de la théorie peuvent être calculées, ces calculs prédictifs correspondent très bien aux résultats de l'expérience.
Le muon teste la force faible du proton
Lors de leur expérience, les chercheurs ont analysé la probabilité pour qu'un proton capture un muon, cette réaction étant due à l’interaction faible. Le muon est très semblable à l'électron, mais il est environ 200 fois plus lourd et instable: il se désintègre en d'autres particules en 2 millionièmes de seconde. Comme l'électron dans un atome d'hydrogène, le muon peut être lié au proton. Mais comme il est nettement plus lourd, il est bien plus proche du proton, ce qui rend les réactions de capture plus probables. Le proton se transforme alors en un neutron, et le muon en un neutrino.
Observation en 3 D du chemin parcouru par les muons, et développement du détecteur au PSI
"La pièce maîtresse de l'expérience était une "chambre à projection temporelle", utilisant de l’hydrogène extrêmement pur. Grâce à cette chambre, il a été possible d'enregistrer en trois dimensions la trajectoire suivie par chaque muon jusqu'à ce qu'il s'arrête dans la cible: une condition nécessaire à la réussite de l'expérience. La chambre a été développée dans le cadre d'une collaboration du groupe de détecteur et des services techniques du PSI", explique Malte Hiledebrand, chercheur au PSI et responsable du groupe détecteurs.
Comment voit-on qu'un proton a capturé un muon?
"À chaque fois, un seul muon est introduit dans la chambre de projection temporelle", déclare Bernhard Lauss, chercheur en physique expérimentale au PSI. "Il expulse l'électron de l'un des atomes d'hydrogène et prend sa place autour du proton, qui est le noyau de l'atome d'hydrogène." Ensuite, le muon se désintègre et émet un électron qui est enregistré par les détecteurs. Le muon lié au proton peut également être capturé par le proton, et donc disparaître d'une autre manière. En raison de cette possibilité supplémentaire, un muon "survit" généralement moins longtemps à proximité d'un proton qu'un muon libre. On peut déterminer cette durée de vie en observant les électrons créés lors de la désintégration. En comparant cette durée de vie avec celle du muon libre, et qui est très précisément connue grâce aux mesures réalisées au PSI, il est possible de calculer la constante de couplage correspondante.
Une Expérience possible uniquement au PSI
"Actuellement, une telle expérience n'est possible qu'au PSI", précise Peter Kammel, un des deux porte-parole de l'expérience, qui effectue ses recherches à l'université de Washington, à Seattle (USA). "Car l'accélérateur de particules du PSI est le seul à produire suffisamment de muons pour que l'expérience puisse être réalisée dans un temps raisonnable". Pour le projet, une nouvelle méthode a été développée, permettant de rendre visibles, directement dans le détecteur, les muons et autres particules créées. Cela a permis de bloquer le faisceau de muons juste après l'arrivée d'un muon, afin de s'assurer qu'il n'y avait toujours qu'un seul muon dans l'expérience. Il était possible d'envoyer immédiatement une nouvelle particule dès que la précédente s'était désintégrée. Cela permettait de ne pas perdre de temps entre les muons. Toutefois, l'expérience a duré plusieurs années.
Plutôt que de la haute énergie, une haute intensité
L'expérience est un exemple de recherche en physique des particules nécessitant un grand nombre de particules (ici, des muons), afin de pouvoir mesurer une grandeur très précisément. Ces travaux complètent les expériences réalisées sur les grands accélérateurs de particules, qui permettent d'utiliser des de particules à haute énergie, afin de sonder la structure interne d’autres particules, ou de créer de nouvelles particules de grande masse. Avec le PSI et le CERN, la Suisse dispose des meilleures installations au monde pour les deux types d'expériences.
Une source d'erreurs "psychologique" est exclue
Bien avant de réaliser l'expérience, des chercheurs en physique théorique avaient calculé la valeur de la constante de couplage. Ainsi, les chercheurs effectuant l'expérience estimaient qu'ils risquaient de se laisser inconsciemment influencer par la valeur calculée lors de l'analyse des résultats de leurs mesures. Pour éviter ce problème, ils ont modifié les résultats au moyen d'un facteur inconnu. Cela les a empêché de voir, lors de l'analyse des résultats, la similitude de leurs résultats avec les valeurs prédites. "La valeur secrète a été révélée lors d'une réunion de révélation après la fin des travaux, afin de pouvoir calculer le résultat effectif", explique Claude Petitjean, le deuxième porte-parole de l'expérience.
Ont participé au projet:
- USA: Universités de Washington-Seattle, Kentucky-Lexington, Illinois-Urbana-Champaign, Californie-Berkeley, Regis-Denver, et Boston
- Russie: Petersburg Nuclear Physics Institute
- Belgique: Université de Louvain
- Suisse: Paul Scherrer Institut PSI
Texte: Paul Piwnicki
À propos du PSI
L’Institut Paul Scherrer développe, construit et exploite de grandes installations de recherche complexes et les met à disposition de la communauté nationale et internationale. Les principales recherches de l’Institut sont centrées dans le domaine matière et matériaux, energie et environnement, santé. Avec 1500 collaborateurs et un budget annuel d’environ 300 millions CHF, le PSI est le plus grand centre de recherche de Suisse.