Le modèle standard, la meilleure description que les scientifiques aient jamais faite de la composition et du comportement de l’Univers, prédit très précisément le facteur g d’une particule fondamentale appelée muon – une valeur qui indique aux physiciens comment cette particule se comporte dans un champ magnétique. Dans les années 1990, l’expérience E821 du Brookhaven National Laboratory a indiqué que le facteur g différait de la prédiction théorique de quelques parties par million. Cette différence minuscule laissait entrevoir l’existence d’interactions inconnues entre le muon et le champ magnétique. Les nouveaux résultats de l’expérience Muon g-2 du Fermilab National Accelerator Laboratory concordent fortement avec ceux de Brookhaven, renforçant ainsi la preuve qu’il existe une nouvelle physique à découvrir. Les résultats combinés des deux expériences montrent une différence par rapport au modèle standard à un niveau de signification de 4,2 sigma, soit un peu moins que les 5 sigma dont les scientifiques ont besoin pour déclarer une découverte.
L’anneau Muon g-2 se trouve dans son hall de détection au milieu de racks électroniques, de la ligne de faisceaux de muons et d’autres équipements. Crédit photo : Reidar Hahn.
Découvert par des physiciens de Caltech en 1936, le muon est environ 200 fois plus massif que son cousin, l’électron.
Les muons apparaissent naturellement lorsque les rayons cosmiques frappent l’atmosphère terrestre, et les accélérateurs de particules peuvent les produire en grand nombre.
Comme les électrons, ils agissent comme s’ils possédaient un minuscule aimant interne. Dans un champ magnétique puissant, la direction de l’aimant du muon précède celle de l’axe d’une toupie ou d’un gyroscope.
La force de l’aimant interne détermine la vitesse de précession du muon dans un champ magnétique externe et est décrite par un nombre que les physiciens appellent le facteur g. Ce nombre peut être calculé à l’aide d’instruments à ultra-haute résolution. Ce nombre peut être calculé avec une ultra-haute précision.
“Aujourd’hui est un jour extraordinaire, attendu depuis longtemps non seulement par nous mais aussi par toute la communauté internationale des physiciens”, a déclaré le Dr Graziano Venanzoni, physicien à l’Institut national italien de physique nucléaire, co-porte-parole de l’expérience Muon g-2.
“Une grande partie du mérite revient à nos jeunes chercheurs qui, grâce à leur talent, leurs idées et leur enthousiasme, nous ont permis d’obtenir ce résultat incroyable.”
“C’est un résultat incroyablement excitant”, a déclaré le Dr Ran Hong, chercheur postdoctoral à l’Argonne National Laboratory.
“Ces résultats pourraient avoir des implications majeures pour les futures expériences de physique des particules et pourraient permettre de mieux appréhender le fonctionnement de l’Univers.”
Cette infographie présente quelques statistiques de base sur le muon ainsi que des faits amusants. Crédit photo : Diana Brandonisio.
Lorsque les muons circulent dans l’aimant Muon g-2, ils interagissent également avec une mousse quantique de particules subatomiques qui apparaissent et disparaissent.
Les interactions avec ces particules à courte durée de vie affectent la valeur du facteur g, ce qui accélère ou ralentit très légèrement la précession des muons.
Le modèle standard prédit ce moment magnétique anormal de manière extrêmement précise.
Mais si l’écume quantique contient des forces ou des particules supplémentaires non prises en compte par le modèle standard, le facteur g des muons s’en trouverait encore modifié.
“Cette quantité que nous mesurons reflète les interactions du muon avec tout ce qui existe dans l’Univers”, a déclaré le responsable des simulations de l’expérience Muon g-2, le Dr Renee Fatemi, physicien à l’Université du Kentucky.
“Mais lorsque les théoriciens calculent la même quantité, en utilisant toutes les forces et particules connues dans le modèle standard, nous n’obtenons pas la même réponse.”
“C’est une preuve forte que le muon est sensible à quelque chose qui n’est pas dans notre meilleure théorie”.
“Jusqu’à présent, nous avons analysé moins de 6% des données que l’expérience finira par collecter”, a déclaré le Dr Chris Polly, physicien au Fermilab.
“Bien que ces premiers résultats nous indiquent qu’il existe une différence intrigante avec le modèle standard, nous en apprendrons beaucoup plus dans les deux prochaines années.”
“Epingler le comportement subtil des muons est une réalisation remarquable qui guidera la recherche de la physique au-delà du modèle standard pour les années à venir”, a déclaré le Dr Joe Lykken, directeur adjoint de la recherche au Fermilab.
“C’est une période passionnante pour la recherche en physique des particules, et le Fermilab est à l’avant-garde.”
Les résultats apparaissent dans trois articles de la revue Physical ReviewLettres, le journal Physical Review Aet le journal Physical Review D.