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Une découverte révolutionnaire de muons qui se comportent mal remet en question les lois largement acceptées en physique

Les preuves s’accumulent qu’une minuscule particule subatomique semble désobéir aux lois connues de la physique, ont annoncé mercredi des scientifiques, une découverte qui ouvrirait un trou vaste et alléchant dans notre compréhension de l’univers. Le résultat, disent les physiciens, suggère qu’il existe des formes de matière et d’énergie vitales pour la nature et l’évolution du cosmos qui ne sont pas encore connues de la science.

«C’est le moment de l’atterrissage de notre rover sur Mars», a déclaré Chris Polly, physicien au Laboratoire national des accélérateurs Fermi, ou Laboratoire Fermi, à Batavia, Illinois, qui a travaillé à cette découverte pendant la majeure partie de sa carrière.

La particule célèbre est le muon, qui s’apparente à un électron mais beaucoup plus lourd et qui fait partie intégrante du cosmos. Polly et ses collègues – une équipe internationale de 200 physiciens de sept pays – ont découvert que les muons ne se comportaient pas comme prévu lorsqu’ils étaient tirés à travers un champ magnétique intense au Laboratoire Fermi.

Le comportement aberrant pose un défi de taille au modèle standard, la suite d’équations qui énumère les particules fondamentales de l’univers (17, au dernier décompte) et comment elles interagissent.

«C’est une preuve solide que le muon est sensible à quelque chose qui n’est pas dans notre meilleure théorie», a déclaré Renee Fatemi, physicienne à l’Université du Kentucky.

Les résultats, les premiers d’une expérience appelée Muon g-2, concordaient avec des expériences similaires au Brookhaven National Laboratory en 2001 qui ont depuis taquiné les physiciens.

Lors d’un séminaire virtuel et d’une conférence de presse mercredi, Polly a souligné un graphique affichant un espace blanc où les résultats du Laboratoire Fermi s’écartaient de la prédiction théorique. «Nous pouvons dire avec une confiance assez élevée, il doit y avoir quelque chose qui contribue à cet espace blanc», a-t-il déclaré. «Quels monstres pourraient se cacher là-bas?»

«Aujourd’hui est une journée extraordinaire, attendue depuis longtemps non seulement par nous mais par toute la communauté internationale de la physique», a déclaré Graziano Venanzoni, porte-parole de la collaboration et physicien à l’Institut national italien de physique nucléaire, dans un communiqué publié par Fermilab. Les résultats sont également publiés dans une série d’articles soumis à plusieurs revues à comité de lecture.

Les mesures ont environ une chance sur 40000 d’être un coup de chance, ont rapporté les scientifiques, bien en deçà de l’étalon-or nécessaire pour revendiquer une découverte officielle selon les normes de la physique. Les signaux prometteurs disparaissent tout le temps dans la science, mais davantage de données sont en route. Les résultats de mercredi ne représentent que 6% du total des données que l’expérience sur les muons devrait recueillir dans les années à venir.

Pendant des décennies, les physiciens se sont appuyés sur le modèle standard et ont été liés par celui-ci, qui explique avec succès les résultats d’expériences sur des particules à haute énergie dans des endroits comme le grand collisionneur de hadrons du CERN. Mais le modèle laisse sans réponse de nombreuses questions profondes sur l’univers.

La plupart des physiciens pensent qu’une riche mine de nouvelles physiques attend d’être trouvée, si seulement ils pouvaient voir de plus en plus loin. Les données supplémentaires de l’expérience du Laboratoire Fermi pourraient fournir un coup de pouce majeur aux scientifiques désireux de construire la prochaine génération d’accélérateurs de particules coûteux.

Cela pourrait aussi conduire, avec le temps, à des explications sur les types de mystères cosmiques qui ont longtemps préoccupé notre espèce solitaire. Qu’est-ce que la matière noire exactement, la substance invisible qui, selon les astronomes, représente un quart de l’univers en masse? En effet, pourquoi y a-t-il de la matière dans l’univers?

Sur Twitter, les physiciens ont répondu à l’annonce de mercredi avec un mélange d’enthousiasme et de prudence. « Bien sûr, il est possible que ce soit une nouvelle physique », a déclaré Sabine Hossenfelder, physicienne à l’Institut d’études avancées de Francfort. « Mais je ne parierais pas là-dessus. »

Marcela Carena, responsable de la physique théorique au Laboratoire Fermi, qui ne faisait pas partie de l’expérience, a déclaré: «Je suis très excitée. J’ai l’impression que cette minuscule oscillation peut ébranler les fondements de ce que nous pensions savoir.

Il est peu probable que les muons occupent le devant de la scène en physique. Parfois appelés «électrons gras», ils ressemblent aux particules élémentaires familières qui alimentent nos batteries, nos lumières et nos ordinateurs et tournent autour des noyaux des atomes; ils ont une charge électrique négative et ils ont une propriété appelée spin, qui les fait se comporter comme de minuscules aimants. Mais ils sont 207 fois plus massifs que leurs cousins ​​mieux connus. Ils sont également instables, se désintégrant radioactivement en électrons et en particules super légères appelées neutrinos en 2,2 millionièmes de seconde.

Le rôle que jouent les muons dans le schéma général du cosmos reste un casse-tête.

Les muons doivent leur renommée actuelle à une bizarrerie de la mécanique quantique, les règles non intuitives qui sous-tendent le royaume atomique.

  Une découverte révolutionnaire de muons qui se comportent mal remet en question les lois largement acceptées en physique

L’anneau de stockage de particules Muon g-2 dans le bâtiment MC-1 du Laboratoire Fermi. Image: Fermilab

Entre autres choses, la théorie quantique soutient que l’espace vide n’est pas vraiment vide mais bouillonne en fait de particules «virtuelles» qui entrent et sortent de l’existence.

«Vous pourriez penser qu’il est possible pour une particule d’être seule au monde», a déclaré Polly dans une déclaration biographique publiée par Fermilab. «Mais en fait, ce n’est pas du tout solitaire. En raison du monde quantique, nous savons que chaque particule est entourée d’un entourage d’autres particules.

Cet entourage influence le comportement des particules existantes, y compris une propriété du muon appelée son moment magnétique, représentée dans les équations par un facteur appelé g. Selon une formule dérivée en 1928 par Paul Dirac, physicien théoricien anglais et fondateur de la théorie quantique, le facteur g d’un muon solitaire devrait être de 2.

Mais les muons ne sont pas seuls, donc la formule doit être corrigée pour le bourdonnement quantique provenant de toutes les autres particules potentielles de l’univers. Cela conduit le facteur g du muon à être supérieur à 2, d’où le nom de l’expérience: Muon g-2.

La mesure dans laquelle g-2 s’écarte des prévisions théoriques est une indication de ce que l’univers est encore inconnu – combien de monstres, comme Polly l’a dit, se cachent dans l’obscurité pour que les physiciens le découvrent.

En 1998, des physiciens de Brookhaven, dont Polly, alors étudiant diplômé, ont entrepris d’explorer cette ignorance cosmique en mesurant réellement le g-2 et en le comparant à des prédictions.

Dans l’expérience, un accélérateur appelé le synchrotron à gradient alternatif a créé des faisceaux de muons et les a envoyés dans un anneau de stockage de 50 pieds de large, une piste de course géante contrôlée par des aimants supraconducteurs.

La valeur de g qu’ils ont obtenue était en désaccord avec la prédiction du modèle standard suffisamment pour exciter l’imagination des physiciens – mais sans assez de certitude pour revendiquer une découverte solide. De plus, les experts ne pouvaient pas s’entendre sur la prédiction exacte du modèle standard, ce qui a encore troublé l’espoir.

Manquant d’argent pour refaire l’expérience, Brookhaven a retiré l’anneau de stockage de muons de 50 pieds en 2001. L’univers a été laissé en suspens.

Le grand déménagement

Au Fermilab, un nouveau campus dédié à l’étude des muons était en construction.

«Cela a ouvert un monde de possibilités», a rappelé Polly dans son article biographique. A cette époque, Polly travaillait au Fermilab; il a exhorté le laboratoire à refaire l’expérience g-2 là-bas. Ils l’ont mis aux commandes.

Pour mener l’expérience, cependant, ils avaient besoin de l’hippodrome magnétique de 50 pieds de Brookhaven. Et donc en 2013, l’aimant a parcouru une odyssée de 3200 milles, principalement en barge, sur la côte est, autour de la Floride et sur le fleuve Mississippi, puis en camion à travers l’Illinois jusqu’à Batavia, domicile du Fermilab.

L’aimant ressemblait à une soucoupe volante, et il a attiré l’attention car il a été conduit vers le sud à travers Long Island à 10 mph. «J’ai marché et j’ai parlé aux gens de la science que nous faisions», a écrit Polly. «Il est resté une nuit dans un parking de Costco. Plus d’un millier de personnes sont venues le voir et ont entendu parler de la science. »

L’expérience a démarré en 2018 avec un faisceau de muons plus intense et l’objectif de compiler 20 fois plus de données que la version Brookhaven.

Pendant ce temps, en 2020, un groupe de 170 experts connu sous le nom d’Initiative de théorie du Muon g-2 a publié une nouvelle valeur consensuelle de la valeur théorique du moment magnétique du muon, basée sur trois ans d’ateliers et de calculs utilisant le modèle standard. Cette réponse a renforcé la divergence initiale signalée par Brookhaven.

Dans le noir

L’équipe a dû s’adapter à une autre ride. Pour éviter les préjugés humains – et pour éviter tout trucage – les expérimentateurs se sont engagés dans une pratique, appelée aveuglement, qui est commune aux grandes expériences. Dans ce cas, l’horloge maîtresse qui garde la trace de l’oscillation des muons avait été réglée à un taux inconnu des chercheurs. La figurine a été scellée dans des enveloppes enfermées dans les bureaux du Fermilab et de l’Université de Washington à Seattle.

Lors d’une cérémonie le 25 février qui a été enregistrée sur vidéo et regardée dans le monde entier sur Zoom, Polly a ouvert l’enveloppe du Fermilab et David Hertzog de l’Université de Washington a ouvert l’enveloppe de Seattle. Le nombre à l’intérieur a été entré dans une feuille de calcul, fournissant une clé à toutes les données, et le résultat est sorti en un chœur de wows.

«Cela a vraiment conduit à un moment vraiment excitant, car personne dans la collaboration ne connaissait la réponse avant le même moment», a déclaré Saskia Charity, une stagiaire postdoctorale du Laboratoire Fermi qui travaillait à distance depuis Liverpool, en Angleterre, pendant la pandémie.

Il y avait de la fierté d’avoir réussi à effectuer une mesure aussi difficile, puis de la joie que les résultats correspondent à ceux de Brookhaven.

«Cela semble être une confirmation que Brookhaven n’était pas un hasard», a déclaré Carena, la théoricienne. «Ils ont une réelle chance de briser le modèle standard.»

Les physiciens disent que l’anomalie leur a donné des idées sur la façon de rechercher de nouvelles particules. Parmi eux se trouvent des particules suffisamment légères pour être à la portée du grand collisionneur de hadrons ou de son successeur projeté. En effet, certaines ont peut-être déjà été enregistrées mais sont si rares qu’elles ne sont pas encore sorties du blizzard de données enregistrées par l’instrument.

Un autre candidat appelé le Z-prime pourrait faire la lumière sur certaines énigmes du Big Bang, selon Gordan Krnjaic, cosmologiste au Fermilab.

Le résultat du g-2, a-t-il déclaré dans un e-mail, pourrait définir l’agenda de la physique pour la prochaine génération. «Si la valeur centrale de l’anomalie observée reste fixe, les nouvelles particules ne peuvent pas se cacher éternellement», a-t-il déclaré. «Nous en apprendrons beaucoup plus sur la physique fondamentale à l’avenir.»

Dennis Overbye. c. 2021 The New York Times Company

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