(AGENPARL) - Roma, 25 Settembre 2023 - (AGENPARL) – lun 25 settembre 2023 MEDIA INFORMATION / INFORMATION PRESSE
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The ATLAS experiment at CERN / L’expérience ATLAS au CERN (Image : CERN)
ATLAS measures strength of the strong force with record precision
In the new analysis, the ATLAS team focused on cleanly selected Z-boson decays to two leptons (electrons or muons) and measured the Z-boson transverse momentum via its decay products. A comparison of these measurements with theoretical predictions enabled the researchers to precisely determine the strong coupling constant at the Z-boson mass scale to be 0.1183 ± 0.0009. With a relative uncertainty of only 0.8%, the result is the most precise determination of the strength of the strong force made by a single experiment to date. It agrees with the current world average of experimental determinations and state-of-the-art calculations known as lattice quantum chromodynamics (see figure below).
This record precision was accomplished thanks to both experimental and theoretical advances. On the experimental side, the ATLAS physicists achieved a detailed understanding of the detection efficiency and momentum calibration of the two electrons or muons originating from the Z-boson decay, which resulted in momentum precisions ranging from 0.1% to 1%. On the theoretical side, the ATLAS researchers used, among other ingredients, cutting-edge calculations of the Z-boson production process that consider up to four “loops” in quantum chromodynamics. These loops represent the complexity of the calculation in terms of contributing processes. Adding more loops increases the precision.
“The strength of the strong nuclear force is a key parameter of the Standard Model, yet it is only known with percent-level precision. For comparison, the electromagnetic force, which is 15 times weaker than the strong force at the energy probed by the LHC, is known with a precision better than one part in a billion,” says CERN physicist Stefano Camarda, a member of the analysis team. “That we have now measured the strong force coupling strength at the 0.8% precision level is a spectacular achievement. It showcases the power of the LHC and the ATLAS experiment to push the precision frontier and enhance our understanding of nature.”
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The new ATLAS value of the strong coupling constant compared with other measurements. (Image: ATLAS/CERN)
About CERN
CERN, the European Organization for Nuclear Research, is one of the world’s leading laboratories for particle physics. The Organization is located on the French-Swiss border, with its headquarters in Geneva. Its Member States are: Austria, Belgium, Bulgaria, Czech Republic, Denmark, Finland, France, Germany, Greece, Hungary, Israel, Italy, Netherlands, Norway, Poland, Portugal, Romania, Serbia, Slovakia, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom. Cyprus, Estonia and Slovenia are Associate Member States in the pre-stage to Membership. Croatia, India, Latvia, Lithuania, Pakistan, Türkiye and Ukraine are Associate Member States. Japan and the United States of America currently have Observer status, as do the European Union and UNESCO. The Observer status of the Russian Federation and of JINR is suspended in accordance with the CERN Council Resolutions of 8 March 2022 and 25 March 2022, respectively.
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ATLAS mesure l’intensité de la force forte avec une précision record
Dans cette nouvelle analyse, l’équipe ATLAS s’est concentrée sur certaines désintégrations du boson Z en deux leptons (électrons ou muons), choisies pour leur netteté, et a mesuré l’impulsion transversale du boson Z par l’intermédiaire des produits de ses désintégrations. En comparant ces mesures aux prédictions théoriques, les scientifiques ont pu déterminer avec précision que la constante de couplage de l’interaction forte à l’échelle de la masse du boson Z est de 0,1183 ± 0,0009. Avec une incertitude relative de seulement 0,8 %, ce résultat constitue à ce jour la détermination la plus précise de l’intensité de la force forte réalisée par une seule expérience. Elle concorde avec la moyenne mondiale actuelle des résultats expérimentaux et des calculs de chromodynamique quantique sur réseau (voir le graphique ci-après).
Cette précision record a été rendue possible grâce à des avancées sur les plans expérimental et théorique. Côté expérience, les scientifiques d’ATLAS sont parvenus à comprendre de manière précise l’efficacité de détection et l’étalonnage de l’impulsion des deux électrons ou muons issus de la désintégration du boson Z, ce qui a permis d’obtenir, pour la mesure de l’impulsion, une précision allant de 0,1 % à 1 %. Côté théorie, les scientifiques d’ATLAS ont utilisé, entre autres, des calculs de pointe du processus de production du boson Z qui prennent en compte jusqu’à quatre « boucles » en chromodynamique quantique. Ces boucles correspondent dans les calculs à la complexité des processus intermédiaires qui contribuent au phénomène. En ajoutant des boucles, on accroît la précision.
« La force nucléaire forte est un paramètre clé du Modèle standard, mais elle n’est connue qu’avec une précision de l’ordre du pour cent. À titre de comparaison, la force électromagnétique, qui est 15 fois moins intense que la force forte à l’énergie étudiée par le LHC, est connue avec une précision supérieure au milliardième, souligne Stefano Camarda, physicien au CERN et membre de l’équipe qui a réalisé cette mesure. Avoir mesuré l’intensité de couplage de la force forte à un niveau de précision de 0,8 % est une véritable prouesse. C’est une illustration de la capacité du LHC et de l’expérience ATLAS de repousser encore les limites de la précision et d’améliorer note compréhension de la nature. »
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 Nouvelle valeur de la constante de couplage de l’interaction forte mesurée par ATLAS par rapport à d’autres mesures. (Image : ATLAS/CERN)
A propos du CERN
Le CERN, Organisation européenne pour la Recherche nucléaire, est l’un des plus éminents laboratoires de recherche en physique des particules du monde. Située de part et d’autre de la frontière franco-suisse, l’Organisation a son siège à Genève. Ses États membres sont les suivants : Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Israël, Italie, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, République tchèque, Roumanie, Royaume-Uni, Serbie, Slovaquie, Suède et Suisse. Chypre, l’Estonie et la Slovénie sont États membres associés en phase préalable à l’adhésion. La Croatie, l’Inde, la Lettonie, la Lituanie, le Pakistan, la Türkiye et l’Ukraine sont États membres associés. Les États-Unis d’Amérique et le Japon ont actuellement le statut d’observateur, ainsi que l’UNESCO et l’Union européenne. Le statut d’observateur de la Fédération de Russie et du JINR est suspendu conformément aux Résolutions du Conseil du CERN prises respectivement le 8 mars 2022 et le 25 mars 2022. 
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