Journal de Saclay n°32 - CEA Saclay

Le Temps
EXPLORER LES BRÈVES DURÉES
Des phénomènes fugaces comme la « vie » d’une particule dans un accélérateur ou une réaction
chimique échappent aux chronomètres les plus performants. Des artifices permettent cependant leur
analyse temporelle très fine.
LA COURTE VIE DU BOSON Z
Le temps de vie d’une particule peut être déterminé en
mesurant la probabilité de matérialisation de la particule
en fonction de l’énergie dépensée pour la créer.
Les particules élémentaires constituent un étrange
bestiaire : ainsi, les particules de matière interagissent
entre elles en s’échangeant…
d’autres particules,
de nature différente, dites
messagères. Par exemple
le grain de lumière (ou
photon) est la messagère
de l’interaction électromagnétique.
Les accélérateurs
de particules ont permis de
montrer que des messagers
existent également pour
deux autres interactions
fondamentales gouvernant,
l’une la cohésion du noyau
de l’atome, et l’autre la
désintégration des noyaux radioactifs. Cette dernière,
appelée interaction faible, admet trois messagers, dont le
boson Z. Au grand collisionneur LEP 1 du CERN, l’énergie
libérée par le choc frontal d’un électron et d’un positron 2
Les points rouges correspondent à la courbe de résonance
du Z et ont été mesurés sur un très grand nombre
de collisions. Les énergies de collision sont exprimées
en gigaélectronvolts et les probabilités d’interaction en
picobarns (pb), une unité de mesure typique des taux de
collisions.
était suffisante pour donner naissance à cette particule.
Une fois créé, un Z se désintègre très rapidement en d’autres
particules, mesurées dans les détecteurs. On parle de
« voies de désintégrations » du Z, qui varient d’une collision
à l’autre et qu’il faut identifier par des mesures sur les
particules finales. Grâce à ces mesures, on a pu remonter
aux caractéristiques du Z, comme sa masse ou son temps
de vie.
Temps de vie et énergie
Le temps de vie du Z est extrêmement bref : 2,6.10 -25
seconde ! Pour comprendre comment les physiciens ont
pu mesurer très précisément cette durée, il faut s’attarder
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sur la notion de masse. A chaque particule est associée
une masse qui correspond à son « énergie au repos » mais
dans un cadre régi par la mécanique quantique, cette
masse varie un peu d’un Z à l’autre. Il existe une valeur de
masse préférentielle, mais il est également possible,
quoique moins probable, de produire des Z à des masses
légèrement différentes de celle-ci. La probabilité d’obtenir
un Z de masse donnée a la forme d’une courbe « de résonance
» dont la largeur est directement reliée à l’inverse du
temps de vie de la particule. Entre 1989 et 1995, au LEP,
les physiciens des particules ont enregistré quelque
17 millions de matérialisations de Z pour reconstruire point
par point cette courbe de résonance. Les caractéristiques
du Z ont ainsi été mesurées avec une précision sans
précédent. « La finalisation
des résultats vient
de s’achever. Grâce au
LEP, la compréhension
de l’interaction électrofaible
a fait un pas de
géant », se réjouit Vanina
Ruhlmann-Kleider, physicienne
au Dapnia.
1 LEP : Large Electron and
Positron collider.
2 Positron ou positon :
antiparticule de l’électron.
La qualité des résultats expérimentaux obtenus sur la
particule Z au CERN permet de statuer sur le nombre
d’espèces de neutrinos. Les courbes correspondent à
des prédictions avec respectivement deux, trois ou
quatre espèces de neutrinos. Les points expérimentaux
sont présentés avec une barre d’erreur multipliée par
dix pour être visible. Les mesures démontrent qu’il
existe trois espèces de neutrinos.
1 Tunnel du LEP au CERN qui a fonctionné de 1989 à 2000.
Le grand collisionneur de protons (LHC) est aujourd’hui
en construction dans ce même tunnel.
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