Les mesures du laboratoire Fermi de particules de muon approfondissent un grand mystère en physique

Les scientifiques du Laboratoire Fermi mesurent le comportement du muon avec une précision extraordinaire parce que la particule fournit un test puissant de la Modèle standardla théorie moderne qui décrit comment les particules et les forces connues de l’univers fonctionnent à un niveau fondamental.

Malgré tout son succès, le modèle standard est étonnamment incomplet. Il n’offre aucune description de la gravité, pas plus qu’il ne rend compte de la «matière noire», la matière mystérieuse qui surpasse gravitationnellement la matière ordinaire à des échelles cosmiques. Et selon le modèle standard, l’univers devrait contenir des quantités égales de matière régulière et de son homologue, l’antimatière. Mais ces substances s’annihilent au contact, donc si c’était vrai, aucun de nos atomes n’existerait.

“Tout ce que nous essayons de faire, c’est d’essayer d’identifier des preuves solides – vous savez, un indicateur – de ce que sont ces nouveaux types d’interactions ou de particules”, a déclaré Mark Lancaster, membre du Muon g-2, physicien à l’Université de Manchester. “Nous savons qu’ils doivent exister, car s’ils n’existaient pas, nous ne serions pas ici.”

Les dernières données de l’expérience Muon g-2 du Fermilab ont été analysées par une équipe internationale de plus de 180 scientifiques. Cela confirme les résultats précédents considérés comme la preuve que le muon pourrait désobéir au modèle standard. Si une telle mauvaise conduite était confirmée, cela fournirait un indice alléchant et recherché depuis longtemps sur ce qui se trouve au-delà de notre compréhension actuelle.

Cependant, aussi précise que soit la nouvelle mesure du Laboratoire Fermi, ce n’est pas aujourd’hui un moment de champagne pour les physiciens en quête d’inconnu. Pour revendiquer une déviation à toute épreuve du modèle standard, tout le monde doit être d’accord sur ce que prédit cette théorie, et dans une tournure dramatique, ils ne le font plus.

Une rafale d’articles publiés depuis 2021 a perturbé la précédente prédiction du modèle standard pour le muon, laissant les théoriciens avec plusieurs divergences épouvantables à résoudre – et les expérimentateurs prêts à regarder l’émission.

“Je suis en quelque sorte allongé sur ma chaise avec mon pop-corn”, a déclaré Paolo Girotti, membre du Muon g-2, chercheur postdoctoral à l’Institut national italien de physique nucléaire.

Développé au début des années 1970, le modèle standard de la physique des particules génère des prédictions extrêmement précises pour trois des forces fondamentales connues, telles que l’électromagnétisme, et les 17 types connus de particules qui composent les éléments constitutifs de l’univers, notamment l’électron, le photon et le muon.

Pour sonder les limites du modèle standard, les scientifiques se sont tournés vers le muon. Ces particules ont une charge électrique comme les électrons, et elles ont une propriété quantique appelée spin. Combinés, ces deux traits font que les muons agissent comme de petits aimants, ce qui les fait vaciller comme des toupies lorsqu’ils sont placés dans un champ magnétique.

Le taux d’oscillation du muon dépend de la façon dont il interagit avec toutes les autres particules et forces connues, donc s’il y a quelque chose dans l’univers dont le modèle standard ne tient pas compte actuellement, il pourrait aussi pousser le muon, ce qui lui donne un coup de pouce supplémentaire que Fermilab a pu détecter.

Au cours des deux dernières décennies, les physiciens ont vu des indices de tels coups supplémentaires du muon, y compris des preuves recueillies entre 1997 et 2001 par le Brookhaven National Laboratory à New York. Fermilab, fondé en 1967 et nommé en l’honneur du physicien Enrico Fermi, a proposé une recherche de suivi en 2008. En 2013, l’installation a acquis un élément clé de l’expérience de Brookhaven : un anneau de 50 pieds de large bordé d’aimants supraconducteurs, conçu pour fonctionner comme une sorte de piste pour un faisceau de muons circulaires.

Après cinq ans d’améliorations majeures de l’anneau et de ses installations, le Laboratoire Fermi a commencé à collecter sa première série de données sur les muons en 2018. Trois ans plus tard, le Laboratoire Fermi a annoncé les premiers résultats de l’expérience – et l’excitation s’est intensifiée. Les chercheurs ont non seulement vu des signes indiquant que le muon vacillait étrangement par rapport à la prédiction du modèle standard à l’époque, mais leurs données correspondaient également aux chiffres de Brookhaven.

Les nouveaux résultats dévoilés jeudi, qui font suite à une autre série de mises à niveau intensives de l’expérience, correspondent également aux résultats 2021 du Fermilab et aux résultats antérieurs de Brookhaven, réduisant les risques qu’ils voient des erreurs dans leurs mesures.

“Il s’agit de la mesure la plus précise d’une quantité jamais réalisée en physique des particules [done] à l’aide d’un accélérateur, ce qui est génial. Je veux dire, c’est une réussite incroyable », a déclaré Alex Keshavarzi, membre du Muon g-2 et physicien à l’Université de Manchester.

Mais il y a un hic : alors même que les membres de l’équipe Muon g-2 travaillaient dur sur leur expérience, les théoriciens s’intéressaient de plus près aux mathématiques sous-jacentes à la prédiction du modèle standard – et maintenant c’est la théorie qui doit être ajustée.

“Prêt pour la confrontation”

Les mathématiques du modèle standard peuvent être étonnamment complexes. Pour comprendre la propriété d’une particule avec une extrême précision, les physiciens doivent calculer toutes les manières pertinentes dont les particules et les forces connues peuvent interagir les unes avec les autres, peu importe la rareté ou la Rube Goldberg-esque de ces badinages.

Pour l’oscillation du muon en particulier, la prédiction du modèle standard doit tenir compte d’un processus subtil et hallucinant connu prosaïquement sous le nom de “polarisation hadronique du vide”.

L’essentiel est qu’en un instant, les muons peuvent émettre et réabsorber des photons de lumière qui peuvent faire toutes sortes de méfaits avant d’être réabsorbés. Plus ennuyeux que tout, l’un de ces photons peut temporairement se diviser en une particule appelée quark et son équivalent antimatière, qui peuvent fortement interagir avec eux-mêmes et avec toute autre particule éphémère à proximité d’un nombre étourdissant de façons, poussant le muon dans le processus.

Les théoriciens ont imaginé deux façons principales de résoudre le problème. La dernière prédiction majeure du modèle standard de l’oscillation du muon, qui a été publié en 2020 par une équipe de plus de 130 physiciens, ont utilisé l’approche « dispersive » plus traditionnelle, qui s’appuie sur des quantités de données collectées sur les électrons lorsqu’ils annihilent leurs équivalents d’antimatière. Mais depuis 2020, les théoriciens ont affiné une méthode plus récente appelée l’approche «réseau», qui estime les aspects du comportement du muon à l’aide de simulations de supercalculateurs.

Bizarrement, la plupart des calculs de dispersion et de réseau effectués jusqu’à présent semblent être en désaccord sur certaines parties de la prédiction du modèle standard pour le comportement du muon, et personne ne sait vraiment pourquoi. La plupart des résultats dispersifs combinés suggèrent un décalage assez flagrant entre la théorie et l’expérience (avec une exception récente et vexante). Par contre, le calcul de réseau à passage intégral le plus précis d’aujourd’hui suggère une prédiction du modèle standard plus proche de l’oscillation observée du muon.

“Nous ne pouvons pas accepter cela de manière couchée – nous devons comprendre ce qui se passe là-bas”, a déclaré la physicienne de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, Aida El-Khadra, présidente du comité directeur du Initiative sur la théorie du muon g-2, le groupe qui a développé la prédiction 2020. El-Khadra n’a pas été impliqué dans les nouveaux résultats du Fermilab.

Où la théorie va se résoudre “est la question à un million de dollars en ce moment”, a ajouté le physicien de l’Université de Ratisbonne Christoph Lehner, coprésident du comité directeur de l’Initiative de théorie du muon g-2 qui n’a pas non plus été impliqué dans les résultats du Fermilab. “Malheureusement, la réponse est très probablement que nous devons attendre un peu.”

C’est peut-être une situation plus frustrante que ce que les physiciens avaient espéré. Mais alors qu’ils tentent de scruter les coins inconnus de l’univers, les chercheurs disent qu’ils ne peuvent pas être trop prudents. L’expérience Fermilab Muon g-2 a cessé de collecter des données le mois dernier, et d’ici la fin de 2025, elle prévoit de fournir un résultat final jusqu’à deux fois plus précis que la mesure de jeudi, avec environ quatre fois plus de données le sauvegarder.

Pendant ce temps, les théoriciens espèrent comprendre et résoudre partiellement les calculs incompatibles d’ici 2025 dans l’espoir de rattraper les expériences et éventuellement de révéler, si l’univers le veut, des mondes cachés dans le domaine quantique.

“Nous serons prêts pour l’épreuve de force”, a déclaré El-Khadra.