Quelle est la force de la force faible ?

La force faible est l’une des quatre forces fondamentales de la nature. Bien que dans notre vie quotidienne nous ne rencontrions guère de processus déterminés par la force faible, elle a toutefois une importance capitale. Ainsi, elle est par exemple responsable des processus qui font briller le soleil. Une équipe internationale dirigée par des chercheurs de la University of Illinois, de la Boston University et de la University of Kentucky, ont mené des expériences à l’Institut Paul Scherrer (Villigen) qui leur ont permis de déterminer, avec une précision sans précédent, de 0.6 partie par millions un paramètre crucial pour la force de l’interaction faible – l’autre nom de la force faible. Ce paramètre connu sous le nom de constante de Fermi est l’une des constantes fondamentales de la nature nécessaire aux calculs exacts de processus se déroulant dans le monde des particules élémentaires.

Au cours des années soixante-dix, l’une des avancées majeures pour la compréhension du monde subatomique fut la preuve que l’interaction faible et l’interaction électromagnétique – une autre des quatre forces fondamentales – étaient en fait deux aspects d’une seule interaction. Cette dernière est appelée interaction électrofaible et son intensité est déterminée par trois paramètres, l’un d’entre eux étant la constante de Fermi.

Durée de vie du muon – la clé de l’intensité de la force faible

C’est grâce à la détermination extrêmement précise de la durée de vie du muon – la mesure la plus précise d’une durée de vie dans le monde des atomes et des particules élémentaires – que la nouvelle valeur de la constante de Fermi a pu être établie. Le muon est une particule élémentaire instable qui se désintègre après une durée de vie d’environ 2 microsecondes (millionième de seconde). Cette désintégration est uniquement régie par la force faible et il existe une relation assez simple entre la durée de vie du muon et l’intensité de la force faible. David Hertzog, qui était chercheur à la University of Illinois au moment des mesures et qui travaille actuellement à la University of Washington, explique la chose suivante : « La détermination de la constante de Fermi à partir de la durée de vie du muon requiert une théorie élégante et précise ; mais jusqu’en 1999, la théorie n’était pas aussi bonne que les expériences. Mais depuis, plusieurs percées scientifiques ont pratiquement éliminé toutes les incertitudes théoriques. La plus grande incertitude concernant la détermination de la constante de Fermi dépendait dorénavant du niveau de précision avec lequel avait été mesurée la durée de vie du muon. »

Mesure répétée 100 milliards de fois – Précision de la mesure: 2 millionièmes d’un millionième de seconde.

L’expérience MuLan (Muon Lifetime Analysis) a utilisé des muons qui ont été produits par l’accélérateur de l’Institut Paul Scherrer à Villingen (Suisse) – la source de muons la plus intense du monde et le seul site sur lequel des expériences aussi précises peuvent être menées. Bernhard Lauss du PSI explique le principe de l’expérience : « La pièce maîtresse de l’expérience était des cibles spéciales sur lesquelles des groupes de muons positifs incidents venaient s’implanter durant des « périodes de remplissage muons ». Le faisceau était alors rapidement coupé et environ 20 muons restaient sur la cible. Avec le temps, chacun de ces muons se désintègre en émettant un positron rapide – un électron de charge positive –signalant sa décroissance. » Les positrons ont été détectés par une sphère composée de 170 détecteurs entourant la cible. Robert Carey de l’université de Boston ajoute l’information suivante : « Nous avons répété le processus pour 100 milliards de remplissages muons, observé des milliers de milliards de désintégrations et recueilli 100 téraoctets de données qui ont été stockées pour être par la suite exploitées par le cluster de super-ordinateurs du centre national américain pour les applications des super-ordinateurs (NCSA) dans l’Illinois. À partir de ces données, on a établi la distribution des durées de vie des différents muons, à partir desquelles on a ajusté la durée de vie moyenne, pour obtenir une valeur de 2,1969803 ± 0,0000022 microsecondes. L’incertitude de ce résultat est de 2 millionièmes d’un millionième de seconde – il s’agit là d’un véritable record du monde. »

La collaboration

Les expériences ont été menées à l’Institut Paul Scherrer dans le cadre d’une collaboration internationale à laquelle des scientifiques des institutions suivantes ont participé :

• Department of Physics, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana USA
• Department of Physics and Astronomy, University of Kentucky, Lexington, USA
• Department of Physics, Boston University, Boston, USA
• Department of Physics, James Madison University, Harrisonburg, USA
• Department of Physics and Computational Science, Regis University, Denver, USA
• Department of Mathematics and Physics, Kentucky Wesleyan College, Owensboro, USA
• Paul Scherrer Institut, Villigen PSI, Suisse
• Kernfysisch Versneller Instituut, University of Groningen, Groningen, Niederlande

Texte: Paul Piwnicki/David Hertzog

A propos du PSI

L’Institut Paul Scherrer développe, construit et exploite de grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté des chercheurs suisses et internationaux. Les thèmes principaux des recherches qui y sont menées en interne sont la physique sur les solides et les sciences des matériaux, la physique des particules élémentaires, la biologie et la médecine, la recherche énergétique et environnementale. Avec 1400 collaborateurs et un budget annuel de 300 millions de CHF environ, c’est le principal institut de recherche suisse.