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Quelle est la particularité des muons d’être dans la ligne de mire d’une bonne partie des physiciens de la planète entière

La physique des particules traverse une étape très excitante. Probablement le plus excitant depuis que les responsables du CERN ont officialisé la découverte du boson de Higgs en 2012. La minuscule particule qui a des milliers de physiciens autour de la planète enthousiasmés par la possibilité d’aller enfin au-delà de la frontière de la théorie la plus solide, nous devons comprendre les lois qui régissent le fonctionnement de l’univers c’est le muon.

Les physiciens soupçonnent que cette particule est notre meilleur atout pour trouver une fissure dans le modèle standard plusieurs années. A priori, il peut sembler que trouver une fissure dans la théorie qui nous a jusqu’ici offert la description la plus précise de l’univers est une mauvaise nouvelle, mais ce n’est pas le cas. Tout le contraire; C’est une très bonne nouvelle.

Et c’est parce que le modèle standard est si rond et bien soutenu que, jusqu’à très récemment, les physiciens ne savaient pas quel chemin devraient-ils prendre faire de la nouvelle physique. Continuer à trouver la réponse aux nombreuses questions sur la nature que nous ne pouvons toujours pas résoudre.

Les physiciens soupçonnent que les muons ont été notre meilleur atout pour trouver une fissure dans le modèle standard pendant plusieurs années.

Heureusement, ce qui n’était au départ qu’un soupçon a été acquis ces dernières semaines cohérence suffisante pour nous inviter à accepter que cette nouvelle physique puisse être relativement proche. Et au centre de tous les yeux se trouve la particule dont je vous ai parlé dans le premier paragraphe de cet article: le muon.

Qu’est-ce qu’un muon

Très largement et en laissant de côté les détails compliqués, nous souhaitons savoir qu’il s’agit d’une particule élémentaire qui, comme l’électron, a une charge négative. Cependant, leur masse est environ 207 fois celle de l’électron, ce qui les fait accélérer plus lentement lorsqu’ils sont soumis à l’effet d’un champ électromagnétique. Et aussi qu’ils émettent moins de rayonnement de freinage, qui est une forme de rayonnement électromagnétique qui se produit en raison de la décélération d’une particule chargée électriquement.

Les muons ne sont produits que lorsque des collisions à haute énergie se produisent, telles que celles impliquant des rayons cosmiques ou celles qui se produisent dans les accélérateurs de particules

Les muons appartiennent à une famille de particules appelées leptons, dans lesquelles ils coexistent avec l’électron, le neutrino électronique, le neutrino muonique, le tau et le neutrino tauonique. Dans cet article, nous n’avons pas besoin de nous renseigner sur les caractéristiques de ces particules, mais il est bon pour nous de savoir que les muons sont instables, ce qui fait que lorsqu’ils sont originaires, ils se désintègrent rapidement, se désintégrant pour donner lieu à la production d’autres particules, telles que des électrons, qui sont stables, ou des neutrinos (seul le neutrino électronique est stable).

Une caractéristique très importante des muons est qu’ils n’apparaissent que lorsqu’ils ont lieu collisions à haute énergie, comme ceux dans lesquels les rayons cosmiques sont impliqués, ainsi que dans les collisions que les humains provoquent dans les accélérateurs de particules. Et c’est là que notre histoire commence vraiment, dans deux expériences qui ont été menées dans les deux accélérateurs de particules les plus avancés de la planète: le CERN et le Laboratoire Fermi.

Comme nous allons le voir ci-dessous, ces deux expériences, dont nous vous avons déjà parlé dans Engadget, ont mis en lumière une éventuelle fissure dans le modèle standard. Et les deux ont pour protagonistes les muons. Le but de cet article est d’être aussi abordable que possible et, comme on peut le deviner, les implications de ces expériences ils sont extraordinairement complexes. Heureusement, nous pouvons savoir à peu près en quoi ils ont consisté et pourquoi ils semblent nous laisser entrevoir des lacunes dans le modèle standard sans avoir à enquêter sur ses caractéristiques les plus inaccessibles.

L’expérience du Laboratoire Fermi et le moment magnétique du muon

Nous connaissons tous les aimants car ils sont présents dans de nombreux appareils que nous utilisons quotidiennement, tels que les haut-parleurs. Cependant, la propriété de ces objets qui nous intéresse dans cet article, le moment magnétique, est relativement impopulaire. Nous en avons besoin comme point de départ, afin de pouvoir le définir comme une quantité vectorielle qui reflète la force magnétique et l’orientation dans l’espace d’un objet capable de générer un champ magnétique.

Ce qui est drôle, c’est que non seulement les aimants peuvent le faire. La plupart des particules subatomiques génèrent également un champ magnétique, et pour cette raison, elles ont un moment magnétique. Les physiciens ont trouvé il y a longtemps un moyen de mesurer cette propriété des particules, et en cours de route ont décidé d’introduire le facteur g, qui est une quantité qui identifie la proportionnalité qui existe entre le moment cinétique et le moment magnétique.

Ce graphique compare la prédiction du modèle standard avec les résultats obtenus par le Brookhaven National Laboratory et Fermilab dans l’expérience Muon g-2.

Un moyen plus simple de comprendre ce qu’est le facteur g est de le voir comme une grandeur qui nous permet de déterminer comment le moment magnétique change d’une particule. Le modèle standard est capable de prédire le facteur g d’une particule avec précision, et tout se passait bien jusqu’à ce qu’à la fin des années 50, un groupe de physiciens du CERN dirigé par Leon Lederman lance une expérience connue sous le nom de Muon g-2 qu’il était destiné, précisément, à mesurer le moment magnétique du muon.

Les premières expériences du CERN jettent un doute car elles montrent de petites différences avec le modèle standard, mais rien ne peut être considéré comme définitif car les mesures ne sont pas suffisamment précises. Plus tard, dans les années 1990, cette expérience a été répétée au Brookhaven National Laboratory, qui appartient au département américain de l’énergie. Cette fois les mesures étaient plus précises que le CERN a obtenu, et, encore une fois, les indices d’une anomalie dans le moment magnétique du muon étaient là.

La combinaison des mesures obtenues dans l’expérience Muon g-2 par Fermilab et le Brookhaven National Laboratory donne un écart de 4,2 sigmas.

Si nous voulions comprendre ce qui se passait, il nous fallait des mesures encore plus précises, ce qui a provoqué la répétition de l’expérience Muon g-2 au cours de la dernière décennie, mais cette fois dans les installations du laboratoire américain de physique des hautes énergies Fermilab. Il y a quelques jours, les chercheurs de ces installations, comme nous vous le disions à l’époque, ont rendu publics les résultats de leur expérience. Et votre mesure du facteur g s’éloigne de 3 sigmas de la prédiction du modèle standard.

D’une manière générale, et encore une fois sans entrer dans les détails compliqués, cette notation reflète la pertinence statistique d’un résultat, de sorte que «plus de sigmas» indique une plus grande signification statistique. La combinaison des mesures obtenues dans l’expérience Muon g-2 par Fermilab et le Brookhaven National Laboratory donne un écart d’un peu plus de 4 sigmas avec le modèle standard (4.2 sigma exactement), il reste donc quelque chose en dessous des 5 sigmas requis pour confirmer l’anomalie et minimiser l’incertitude stipulée pour garantir une découverte scientifique.

Ce résultat est très significatif et, bien qu’il soit encore nécessaire de continuer à analyser les données avant d’arriver à une conclusion définitive, les chercheurs envisagent la possibilité que la déviation du facteur muon g, qui en théorie devrait être de 2, soit due à la présence de une particule inconnue ou une force fondamentale que nous n’avons pas encore identifié. C’est l’une des deux fissures du modèle standard qui garde les physiciens en attente.

L’expérience du CERN et l’universalité du lepton

L’expérience que nous venons d’étudier n’est pas la seule qui permette apparemment d’apercevoir une fissure dans le modèle standard. Le détecteur LHCb du LHC, L’accélérateur de particules du CERN, a produit des mesures également très révélatrices. Cette expérience a été conçue principalement pour étudier les propriétés du quark de fond ou du quark b (cette désignation vient de l’anglais quark inférieur).

Une caractéristique très pertinente des leptons, famille de particules à laquelle appartiennent, comme nous l’avons vu, l’électron, le muon et le tau, c’est qu’ils interagissent de la même manière avec les autres particules. Ce comportement est connu sous le nom de universalité lepton. Une conséquence de cette propriété est que, si l’on s’en tient aux particules instables, lorsqu’elles se désintègrent, leur désintégration donne lieu à la génération d’autres particules, et toutes apparaissent avec la même probabilité.

Cern

L’expérience du CERN LHCb a été conçue principalement pour étudier les propriétés du quark ou quark b de fond (d’où le «b» dans l’acronyme LHCb).

Cependant, les chercheurs du CERN soupçonnent depuis longtemps que lorsqu’un méson B se désintègre, l’universalité leptonique décrite par le modèle standard se casse. Et les dernières mesures qu’ils ont prises semblent le corroborer car globalement cette désintégration ne produit pas le même nombre d’électrons et de muons, ce qui devrait en théorie se produire. Il génère plus d’électrons.

Une fois que nous avons atteint ce point, nous devons nous demander, comme pour l’expérience du Laboratoire Fermi, quelle est l’incertitude que gère l’expérience LHCb. Dans ce cas, les mesures montrent 3 sigmas, c’est pourquoi ils n’ont pas encore dépassé le seuil de 5 sigma nécessaire pour conclure de manière concluante que l’universalité leptonique a été rompue. Mais, comme pour l’expérience précédente, ce résultat ouvre une voie très prometteuse pour développer une nouvelle physique tant que, oui, les physiciens parviennent à vérifier que les fissures que nous pensons pouvoir apercevoir dans le modèle standard sont en réalité des fissures.

Images | CERN | Fermilab

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