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Preuve d’une nouvelle physique à partir du moment magnétique du muon? Peut-être pas, selon un nouveau calcul théorique

Cet article a été initialement publié sur La conversation. La publication a contribué à l’article à 45secondes.fr’s Voix d’experts: Op-Ed & Insights.

Zoltan Fodor, Professeur de physique, Penn State

Lorsque les résultats d’une expérience ne correspondent pas aux prédictions faites par la meilleure théorie du jour, quelque chose ne va pas.

Il y a quinze ans, des physiciens du Brookhaven National Laboratory ont découvert quelque chose de déroutant. Les muons – un type de particule subatomique – se déplaçaient de manière inattendue qui ne correspondait pas aux prévisions théoriques. La théorie était-elle fausse? L’expérience a-t-elle été interrompue? Ou, de manière alléchante, était-ce la preuve d’une nouvelle physique?

Depuis, les physiciens tentent de résoudre ce mystère.

Un groupe du Laboratoire Fermi s’est attaqué au côté expérimental et le 7 avril 2021, a publié des résultats confirmant la mesure originale. Mais mes collègues et moi avons adopté une approche différente.

Je suis physicien théoricien et porte-parole et l’un des deux coordinateurs de la collaboration Budapest-Marseille-Wuppertal. Il s’agit d’une collaboration à grande échelle de physiciens qui ont essayé de voir si l’ancienne prédiction théorique était incorrecte. Nous avons utilisé une nouvelle méthode pour calculer comment les muons interagissent avec les champs magnétiques.

La prédiction théorique de mon équipe est différente de la théorie originale et correspond à la fois aux anciennes preuves expérimentales et aux nouvelles données du Laboratoire Fermi. Si notre calcul est correct, il résout la divergence entre la théorie et l’expérience et suggérerait qu’il n’y a pas une force non découverte de la nature.

Notre résultat a été publié dans la revue Nature le 7 avril 2021, le même jour que les nouveaux résultats expérimentaux.

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Le modèle standard de physique est la théorie la plus précise de l'univers à ce jour.

Le modèle standard de physique est la théorie la plus précise de l’univers à ce jour. (Crédit d’image: Cush / Wikimedia Commons)

Le muon et le modèle standard

Le muon est une sœur plus lourde et instable de l’électron. Les muons sont tout autour de nous et sont, par exemple, créés lorsque des rayons cosmiques entrent en collision avec des particules dans l’atmosphère terrestre. Ils sont capables de traverser la matière et les chercheurs les ont utilisés pour sonder les intérieurs inaccessibles de structures allant des volcans géants aux pyramides égyptiennes.

Les muons, comme les électrons, ont une charge électrique et génèrent de minuscules champs magnétiques. La force et l’orientation de ce champ magnétique s’appellent le moment magnétique.

Presque tout dans l’univers – de la façon dont les atomes sont construits au fonctionnement de votre téléphone portable en passant par la façon dont les galaxies se déplacent – peut être décrit par quatre interactions. Vous connaissez probablement les deux premiers: la gravité et l’électromagnétisme. Le troisième est l’interaction faible, qui est responsable de la désintégration radioactive. Enfin, il y a la forte interaction, la force qui maintient ensemble les protons et les neutrons dans le noyau d’un atome. Les physiciens appellent ce cadre – moins la gravité – le modèle standard de la physique des particules.

Toutes les interactions du modèle standard contribuent au moment magnétique du muon et chacune le fait de plusieurs manières différentes. Les physiciens savent très précisément comment l’électromagnétisme et l’interaction faible le font, mais déterminer comment l’interaction forte contribue au champ magnétique du muon s’est avéré incroyablement difficile à faire.

Le champ magnétique du muon s'est avéré incroyablement difficile à prévoir.

Le champ magnétique du muon s’est avéré incroyablement difficile à prévoir. (Crédit d’image: Newton Henry Black / Wikimedia Commons)

Un mystère magnétique

De tous les effets de la forte interaction sur le moment magnétique du muon, le plus grand et aussi le plus difficile à calculer avec la précision nécessaire est appelé la polarisation du vide hadronique de premier ordre.

Dans le passé, pour calculer cet effet, les physiciens utilisaient une approche mixte théorique-expérimentale. Ils collecteraient des données sur les collisions entre électrons et positrons – le contraire des électrons – et les utiliseraient pour calculer la contribution de l’interaction forte au moment magnétique du muon. Les physiciens utilisent cette approche pour affiner davantage l’estimation depuis des décennies. Les derniers résultats datent de 2020 et ont produit une estimation très précise.

Ce calcul du moment magnétique est ce que les physiciens expérimentaux testent depuis des décennies. Jusqu’au 7 avril 2021, le résultat expérimental le plus précis était de 15 ans. Pour cette mesure, au Brookhaven National Laboratory, les chercheurs ont créé des muons dans un accélérateur de particules, puis ont observé comment ils se déplaçaient dans un champ magnétique à l’aide d’un électroaimant géant de 15 mètres de large. En mesurant la façon dont les muons se déplaçaient et se désintégraient, ils ont pu mesurer directement le moment magnétique du muon. Cela a été assez surprenant lorsque la mesure directe par Broohaven en 2006 du moment magnétique du muon était plus grande qu’elle n’aurait dû l’être selon la théorie.

Face à cet écart, il y avait trois options: soit la prédiction théorique était incorrecte, soit l’expérience était incorrecte, soit, comme le croyaient de nombreux physiciens, c’était le signe d’une force inconnue de la nature.

Alors qui était-ce?

De nouvelles théories

Mes collègues et moi avons choisi de poursuivre la première option: la théorie pourrait être erronée d’une certaine manière. Nous avons donc décidé d’essayer de trouver une meilleure façon de calculer la prédiction. Notre équipe de physiciens a pris les équations sous-jacentes les plus élémentaires de l’interaction forte, les a placées sur une grille spatio-temporelle et en a résolu autant que possible à la fois.

La technique est un peu comme faire une prévision météorologique. Au fur et à mesure que les avions commerciaux parcourent leurs routes, ils mesurent la pression, la température et la vitesse du vent à des points donnés sur Terre. De même, nous avons placé l’équation d’interaction forte sur une grille spatio-temporelle. Les données météorologiques à des points individuels sont ensuite placées dans un supercalculateur qui combine toutes les données pour prédire l’évolution de la météo. Notre équipe a mis les fortes forces d’interaction sur une grille et a recherché l’évolution de ces domaines. Plus il y a d’avions collectant des données, meilleure est la prédiction. Dans cette métaphore, nous avons utilisé des milliards d’avions pour calculer le moment magnétique le plus précis possible en utilisant des millions d’heures de traitement informatique dans plusieurs centres de supercalculateurs en Europe.

Notre nouvelle approche produit une estimation de la force du champ magnétique du muon qui correspond étroitement à la valeur expérimentale mesurée par les scientifiques de Brookhaven. Il comble essentiellement le fossé entre la théorie et les mesures expérimentales et, s’il est vrai, confirme le modèle standard qui a guidé la physique des particules pendant des décennies.

Une vue de dessus de l'équipement utilisé dans l'expérience g-2 au Laboratoire Fermi.  L'expérience utilise une ligne de faisceau de muons, des racks électroniques et un anneau de stockage magnétique supraconducteur refroidi à moins 450 degrés Fahrenheit (moins 267 degrés Celsius) pour étudier l'oscillation des muons.

L’expérience du Laboratoire Fermi, utilisant le même aimant de Brookhaven, a mesuré un moment magnétique presque identique pour le muon (Crédit d’image: Reidar Hahn / Fermilab)

Nouvelles expériences

Mais mes collègues et moi n’avons pas été les seuls à poursuivre ce mystère. D’autres scientifiques, comme ceux du Fermilab, un accélérateur de particules près de Chicago, ont choisi de tester la deuxième option: que l’expérience soit terminée.

Au Fermilab, les physiciens ont poursuivi l’expérience qui a été faite à Brookhaven pour obtenir une mesure expérimentale plus précise du moment magnétique du muon. Ils ont utilisé une source de muons plus intense qui leur a donné un résultat plus précis. Il correspondait presque parfaitement à l’ancienne mesure.

Les résultats du Laboratoire Fermi suggèrent fortement que les mesures expérimentales sont correctes. La nouvelle prédiction théorique faite par mes collègues et moi correspond à ces résultats expérimentaux. Bien qu’il ait pu être passionnant de découvrir des indices de nouvelle physique, notre nouvelle théorie semble dire que cette fois, le modèle standard tient le coup.

Un mystère demeure cependant: l’écart entre la prédiction originale et notre nouveau résultat théorique. Mon équipe et moi pensons que la nôtre est correcte, mais notre résultat est le tout premier du genre. Comme toujours en science, d’autres calculs doivent être effectués pour le confirmer ou le réfuter.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lisez l’article original.

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