“Une vraie pierre de touche pour le modèle standard”

En avril 2021, des expériences avec des muons au Fermilab de Chicago ont provoqué un grand tollé : les propriétés magnétiques de la particule élémentaire semblaient très peu susceptibles d’être compatibles avec le modèle standard de la physique des particules. Les chercheurs ont maintenant analysé les données de deux autres phases de mesure de l’expérience “Muon g-2” et ont publié leurs résultats lors d’une conférence. Dans une interview avec Welt der Physik, Martin Fertl et René Reimann de l’Université de Mayence rendent compte de la précision des nouveaux résultats et de ce qu’ils signifient pour la physique des particules.

Monde de la physique : Quelle propriété du muon avez-vous examinée avec l’expérience ?

Martin Fertl : Le nom de l’expérience se prononce comme « Myon g moins deux ». Les muons et autres particules élémentaires telles que les électrons ont un moment magnétique minuscule, ils se comportent donc comme de petits barreaux magnétiques. La force de ce moment magnétique est décrite par “g”, le facteur dit “gyromagnétique”. Selon les calculs de la mécanique quantique relativiste, sa valeur devrait en fait être exactement deux. Mais les interactions des particules élémentaires avec le vide augmentent un peu le facteur g jusqu’à une valeur supérieure à deux. Nous déterminons cette différence avec l’expérience du Fermilab et pouvons ainsi examiner les propriétés quantiques du vide.

Donc, selon la théorie quantique, le vide n’est pas vide ?

Même un vide parfait, qui ne contient aucun atome, molécule ou champ extérieur, n’est jamais complètement vide. Après tout, selon le principe d’incertitude d’Heisenberg, des paires de particules et d’antiparticules peuvent se former pendant un temps très court. Bien que ces particules dites virtuelles disparaissent à nouveau immédiatement après leur formation, elles ont toujours un effet mesurable sur les particules réelles. Cela garantit, entre autres, que les muons ont un moment magnétique légèrement différent de deux.

Les nouveaux résultats fournissent maintenant une valeur pour le facteur g qui est même significativement plus élevée que celle prédite par la théorie. Qu’est-ce que cela signifie?

René Reimann : C’est un résultat spectaculaire. Pour ce faire, nous avons analysé les données des deuxième et troisième phases de mesure de l’expérience. Cela confirme non seulement les résultats plus anciens que nous avons obtenus lors de la première phase de mesure et qui ont également été fournis par l’expérience précédente à Brookhaven. Surtout, nous avons pu réduire significativement l’incertitude statistique de la mesure, c’est-à-dire les barres d’erreur. Ce fut une grande réussite pour tous les chercheurs impliqués. L’écart avec la valeur de la littérature, qui a été calculée à l’aide du modèle standard de la physique des particules, est maintenant d’un bon cinq sigma.

Après la première phase de mesure, cet écart était de 4,2 sigma. Comment avez-vous réussi à améliorer autant la précision de l’expérience ?

Martin Fertl : Dans la première phase de mesure, Run 1, nous avons déjà obtenu une bonne stabilité de l’ensemble de la structure. Mais des choses individuelles ont néanmoins affecté la précision théoriquement réalisable des mesures. Pour l’expérience, les muons générés avec l’accélérateur de particules du Laboratoire Fermi sont introduits dans un anneau de stockage. Là, ils orbitent presque à la vitesse de la lumière et sont maintenus sur leur orbite par de puissants aimants pendant que nous mesurons leur moment magnétique. Or, nous avons vu que la culasse en fer de l’aimant se réchauffait et se refroidissait lentement au cours de la journée. Et cela a affecté négativement la stabilité temporelle des mesures et la distribution spatiale des muons. C’est pourquoi nous avons enveloppé l’aimant dans un matériau isolant pour les Run 2 et Run 3 et amélioré la climatisation dans le hall afin que sa température reste très stable.

Y a-t-il eu d’autres améliorations clés ?

René Reimann : De petites choses ont dû être modifiées à de nombreux points de l’expérience. Par exemple, des collègues des États-Unis ont optimisé l’aimant du baby-foot. C’est le nom de l’aimant à commutation extrêmement rapide qui envoie les muons du faisceau de l’accélérateur de particules dans notre expérience. Lors de l’exécution 3, l’aimant de démarrage a atteint pour la première fois la force nécessaire pour envoyer les muons sur leur orbite optimale. De nouvelles technologies de mesure ont également été développées : par exemple, des sondes magnétiques que l’on peut utiliser pour mieux mesurer le champ magnétique des composants pulsés. Nous pouvons maintenant également mieux contrôler le faisceau de muons lui-même, de sorte qu’il présente moins de fluctuations. Tout cela signifie qu’au cours des Run 2 et Run 3, nous avons déjà largement dépassé les spécifications initialement prévues du système. Toutes les personnes impliquées en sont vraiment fières, et cela fait de cette expérience une véritable pierre de touche pour le modèle standard.

Mais le résultat n’est-il pas une raison pour dire adieu au modèle standard de la physique des particules ?

Martin Fertl : Non. Le résultat est d’abord un appel aux théoriciens de la “Muon g-2 Theory Initiative” à repenser fondamentalement leurs calculs. La valeur de la littérature pour le moment magnétique anormal des muons a été déterminée en 2020 à l’aide de méthodes de calcul améliorées au fil des décennies. Cependant, cela ne correspond pas du tout à nos résultats de mesure, ce dont nous pourrions nous réjouir, car ce serait la preuve tant attendue d’une nouvelle physique au-delà du modèle standard. Cependant, il existe maintenant deux nouveaux calculs théoriques de la valeur, qui s’écartent tous deux moins de nos résultats. Donc pour l’instant, il semble que ce ne soit pas le modèle standard qui bascule, mais peut-être la valeur littéraire du moment magnétique anormal du muon.

Comment les deux nouvelles valeurs ont-elles été calculées ?

Ce sont deux méthodes fondamentalement différentes. D’une part, on essaie de recréer l’interaction immensément complexe des particules virtuelles avec des simulations informatiques complexes en utilisant uniquement les lois élémentaires de la nature. Ces simulations avec des supercalculateurs ne sont devenues suffisamment bonnes que ces dernières années pour pouvoir les utiliser pour obtenir des valeurs raisonnables et des barres d’erreur pouvant être comparées aux expériences du tout. Et puis il y a les méthodes de calcul établies qui nécessitent des données expérimentales en plus des lois de la nature. Et ces calculs avec les données de mesure et les simulations informatiques indiquent une valeur théorique qui s’écarte beaucoup moins de nos nouvelles mesures que la valeur actuellement valide de la littérature.

Qu’est-ce que cela signifie pour la physique des particules ?

René Reimann : Pour nous et aussi pour les théoriciens, cela représente beaucoup de travail au début. Au cours des dernières années, nous avons déjà enregistré les données de trois autres phases de mesure et l’expérience sera ensuite arrêtée dans quelques mois. Nous travaillons déjà sur l’analyse de ces trois nouvelles phases de mesure. Et les théoriciens vont travailler très intensivement sur la description du muon dans les prochaines années. Dans environ deux ans, les nouveaux résultats expérimentaux et les nouveaux résultats théoriques devraient être disponibles. Ensuite, vous comparerez à nouveau toutes les valeurs entre elles et verrez si le modèle standard peut toujours prétendre à la validité. Jusqu’à présent, il a résisté pendant des décennies et a défié toutes les attaques.