Muon g-2 : une étude historique remet en cause le livre de règles de la physique des particules
Le modèle standard est une théorie rigoureuse qui prédit le comportement des éléments constitutifs de l'univers.
Conception d'artiste du mystère du moment magnétique du muon. (Source : Dani Zemba, Université d'État de Pennsylvanie) Les résultats récemment publiés d'une expérience internationale suggèrent la possibilité d'une nouvelle physique régissant les lois de la nature, selon les scientifiques. Les résultats de l'expérience, qui a étudié une particule subatomique appelée le muon , ne correspondent pas aux prédictions du modèle standard, sur lequel toute la physique des particules est basée, et reconfirment à la place un écart qui avait été détecté dans une expérience 20 ans auparavant. Autrement dit, la physique que nous connaissons ne peut à elle seule expliquer les résultats mesurés. L'étude a été publiée dans la revue Physical Review Letters.
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Qu'est-ce que le modèle standard ?
Le modèle standard est une théorie rigoureuse qui prédit le comportement des éléments constitutifs de l'univers. Il expose les règles de six types de quarks, six leptons, le boson de Higgs, trois forces fondamentales et le comportement des particules subatomiques sous l'influence des forces électromagnétiques.
Le muon fait partie des leptons. Il est similaire à l'électron, mais 200 fois plus gros, et beaucoup plus instable, survivant une fraction de seconde. L'expérience, appelée Muon g-2 (g moins deux), a été menée au Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) du département américain de l'Énergie.
De quoi parlait cette expérience ?
Il a mesuré une quantité relative au muon, faisant suite à une précédente expérience au Brookhaven National Laboratory, sous le département américain de l'Énergie. Conclu en 2001, l'expérience de Brookhaven a donné des résultats qui ne correspondaient pas exactement aux prédictions du modèle standard.
L'expérience Muon g-2 a mesuré cette quantité avec une plus grande précision. Il cherchait à savoir si l'écart persisterait ou si les nouveaux résultats seraient plus proches des prévisions. Il s'est avéré qu'il y avait à nouveau un écart, bien que plus petit.
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Quelle quantité a été mesurée ?
C'est ce qu'on appelle le facteur g, une mesure qui dérive des propriétés magnétiques du muon. Parce que le muon est instable, les scientifiques étudient l'effet qu'il laisse sur son environnement.
Les muons agissent comme s'ils avaient un petit aimant interne. Dans un champ magnétique puissant, la direction de cet aimant vacille, tout comme l'axe d'une toupie. La vitesse à laquelle le muon vacille est décrite par le facteur g, la quantité qui a été mesurée. Cette valeur est connue pour être proche de 2, les scientifiques mesurent donc l'écart par rapport à 2. D'où le nom g-2.
Le facteur g peut être calculé avec précision à l'aide du modèle standard. Dans l'expérience g-2, les scientifiques l'ont mesuré avec des instruments de haute précision. Ils ont généré des muons et les ont fait circuler dans un grand aimant. Les muons ont également interagi avec une mousse quantique de particules subatomiques entrant et sortant de l'existence, comme l'a décrit le laboratoire Fermi. Ces interactions affectent la valeur du facteur g, provoquant une oscillation légèrement plus rapide ou légèrement plus lente des muons. L'ampleur de cette déviation (c'est ce qu'on appelle le moment magnétique anormal) peut également être calculée avec le modèle standard. Mais si la mousse quantique contient des forces ou des particules supplémentaires qui ne sont pas prises en compte par le modèle standard, cela modifierait davantage le facteur g.
Quelles ont été les découvertes ?
Les résultats, tout en divergeant de la prédiction du modèle standard, sont fortement en accord avec les résultats de Brookhaven, a déclaré Fermilab.
valeur nette de dave chapelle
Les valeurs théoriques acceptées pour le muon sont :
facteur g : 2.00233183620
moment magnétique anormal : 0,00116591810
Les nouveaux résultats expérimentaux (combinés à partir des résultats de Brookhaven et Fermilab) annoncés mercredi sont :
facteur g : 2.00233184122
moment magnétique anormal : 0,00116592061.
Qu'est-ce que ça veut dire?
Les résultats de Brookhaven, et maintenant de Fermilab, suggèrent l'existence d'interactions inconnues entre le muon et le champ magnétique – des interactions qui pourraient impliquer de nouvelles particules ou forces. Ce n'est pourtant pas le dernier mot pour ouvrir la voie à une nouvelle physique.
Pour revendiquer une découverte, les scientifiques ont besoin de résultats qui s'écartent du modèle standard de 5 écarts-types. Les résultats combinés du Fermilab et de Brookhaven divergent de 4,2 écarts-types. Bien que cela ne suffise peut-être pas, il est très peu probable que ce soit un coup de chance – cette chance est d'environ 1 sur 40 000, a déclaré le Laboratoire national d'Argonne, également relevant du département américain de l'Énergie, dans un communiqué de presse.
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 et responsable des simulations pour l'expérience Muon g-2, dans un communiqué publié par Fermilab.
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