En regardant une rangée d’aimants menant à l’anneau de stockage de particules de l’expérience Muon g-2 du Fermilab. Les résultats ont poussé des physiciens théoriciens du monde entier à travailler frénétiquement sur des idées d’explications. Crédit : Photo par Cindy Arnold/Fermilab
L’expérience ouvre un champ à une nouvelle physique, déclarent les scientifiques du Fermilab, UChicago.
La nouvelle que les muons ont un peu plus de mouvement dans leur démarche a fait parler le monde ce printemps.
L’expérience Muon g-2 hébergée au Fermi National Accelerator Laboratory a annoncé le 7 avril avoir mesuré une particule appelée muon se comportant légèrement différemment de ce qui était prévu dans leur accélérateur géant. C’était la première nouvelle inattendue en physique des particules depuis des années.
Tout le monde est excité, mais peu plus que les scientifiques dont le travail consiste à cracher des théories sur la façon dont l’univers est constitué. Pour ces théoriciens, l’annonce les a poussés à dépoussiérer d’anciennes théories et à spéculer sur de nouvelles.
“Pour beaucoup d’entre nous, cela ressemble et sent la nouvelle physique”, a déclaré le professeur Dan Hooper. “Il se peut qu’un jour nous revenions sur cela et que ce résultat soit considéré comme un héraut.”
Gordan Krnjaic, un collègue physicien théoricien, est d’accord : “C’est le moment idéal pour être un spéculateur.”
Les deux scientifiques sont affiliés au Université de Chicago et Fermilab ; ni l’un ni l’autre n’a travaillé directement sur l’expérience Muon g-2, mais les deux ont été ravis par les résultats. Pour eux, ces découvertes pourraient être un indice qui montre la voie à suivre pour percer les derniers mystères de la physique des particules – et avec elle, notre compréhension de l’univers dans son ensemble.
L’anneau Muon g-2 se trouve dans son hall de détection au milieu de racks électroniques, de la ligne de faisceau de muons et d’autres équipements. Cette expérience impressionnante fonctionne à moins de 450 degrés Fahrenheit et étudie la précession, ou « oscillation », de particules appelées muons lorsqu’elles traversent le champ magnétique. Crédit : Reidar Hahn/Fermilab
Établir la norme
Le problème était que tout se passait comme prévu.
Sur la base d’expériences et de théories centenaires remontant à l’époque des premières recherches d’Albert Einstein, les scientifiques ont esquissé une théorie sur la façon dont l’univers, de ses plus petites particules à ses plus grandes forces, est constitué. Cette explication, appelée le modèle standard, fait un assez bon travail pour relier les points. Mais il y a quelques trous, des choses que nous avons vues dans l’univers et qui ne sont pas prises en compte dans le modèle, comme la matière noire.
Pas de problème, pensaient les scientifiques. Ils ont construit de plus grandes expériences, comme le Grand collisionneur de hadrons en Europe, pour étudier les propriétés les plus fondamentales des particules, sûrs que cela donnerait des indices. Mais alors même qu’ils regardaient plus profondément, rien de ce qu’ils trouvaient ne semblait en décalage avec le modèle standard. Sans nouvelles pistes d’investigation, les scientifiques ne savaient pas où et comment chercher des explications aux écarts comme la matière noire.
Puis, enfin, les résultats de l’expérience Muon g-2 sont arrivés du Fermilab (qui est affilié à l’Université de Chicago). L’expérience a signalé une différence minime entre la façon dont les muons devraient se comporter selon le modèle standard et ce qu’ils faisaient réellement à l’intérieur de l’accélérateur géant.
Qu’est-ce qu’un muon et comment fonctionne l’expérience Muon g-2 ? Les scientifiques du Fermilab expliquent l’importance du résultat.
Des murmures ont éclaté dans le monde entier et les esprits de Hooper, Krnjaic et de leurs collègues en physique théorique ont commencé à s’emballer. Presque toute explication d’une nouvelle ride en physique des particules aurait de profondes implications pour l’histoire de l’univers.
C’est parce que les plus petites particules affectent les plus grandes forces de l’univers. Les différences minimes dans les masses de chaque particule affectent la façon dont l’univers s’est étendu et évolué après la Big Bang. À son tour, cela affecte tout, de la façon dont les galaxies sont maintenues ensemble jusqu’à la nature de la matière elle-même. C’est pourquoi les scientifiques veulent mesurer avec précision comment le papillon battait des ailes.
Les suspects probables
Jusqu’à présent, il y a trois principales explications possibles pour les résultats de Muon g-2 – s’il s’agit bien d’une nouvelle physique et non d’une erreur.
L’une est une théorie connue sous le nom de « supersymétrie », qui était très à la mode au début des années 2000, a déclaré Hooper. La supersymétrie suggère que chaque particule subatomique a une particule partenaire. C’est attrayant pour les physiciens parce que c’est une théorie globale qui explique plusieurs divergences, y compris la matière noire ; mais le Grand collisionneur de hadrons n’a vu aucune preuve de ces particules supplémentaires. Encore.
Une autre possibilité est qu’une forme de matière non découverte et relativement lourde interagisse fortement avec les muons.
Enfin, il pourrait également exister d’autres types de particules lumineuses exotiques, encore inconnues, qui interagissent faiblement avec les muons et provoquent l’oscillation. Krnjaic et Hooper ont écrit un article expliquant ce qu’une telle particule légère, qu’ils ont appelée « Z prime », pourrait signifier pour l’univers.
“Ces particules auraient dû exister depuis le Big Bang, et cela aurait d’autres implications – par exemple, elles pourraient avoir un impact sur la vitesse à laquelle l’univers s’étendait dans ses premiers instants”, a déclaré Krnjaic.
Cela pourrait concorder avec un autre mystère auquel les scientifiques réfléchissent, appelé la constante de Hubble. Ce nombre est censé indiquer à quelle vitesse l’univers s’étend, mais il varie légèrement selon la façon dont vous le mesurez, un écart qui pourrait indiquer une pièce manquante dans nos connaissances.
Presque toute explication d’une nouvelle ride en physique des particules aurait de profondes implications pour l’histoire de l’univers.
Il existe d’autres possibilités plus éloignées, telles que le fait que les muons soient heurtés par des particules entrant et sortant d’autres dimensions. (« Une chose dont les physiciens des particules sont rarement accusés est un manque de créativité », a déclaré Hooper.)
Mais les scientifiques ont déclaré qu’il était important de ne pas rejeter les théories d’emblée, peu importe à quel point elles peuvent sembler folles.
“Nous ne voulons pas négliger quelque chose simplement parce que cela sonnait bizarre”, a déclaré Hooper. « Nous essayons constamment de secouer les arbres pour avoir toutes les idées possibles. Nous voulons traquer cela partout où il pourrait se cacher.
Étapes Sigma
La première étape, cependant, est de confirmer que le résultat Muon g-2 est vrai. Les scientifiques disposent d’un système pour dire si les résultats d’une expérience sont réels et pas seulement une erreur dans les données. Le résultat annoncé en avril atteint 4,2 sigma ; la référence qui signifie que c’est presque certainement vrai est 5 sigma.
“S’il s’agit vraiment d’une nouvelle physique, nous serons beaucoup plus près de le savoir dans un an ou deux”, a déclaré Hooper. L’expérience Muon g-2 a beaucoup plus de données à passer au crible. Pendant ce temps, les résultats de certains calculs théoriques très compliqués – si complexes que même les supercalculateurs les plus puissants du monde doivent les mâcher pendant des mois, voire des années – devraient tomber en panne.
Ces résultats, s’ils atteignent un niveau de confiance de 5 sigma, indiqueront aux scientifiques où aller ensuite. Par exemple, Krnjaic a aidé à proposer un programme Fermilab appelé M3 qui pourrait réduire les possibilités en tirant un faisceau de muons sur une cible métallique, mesurant l’énergie avant et après l’impact des muons. Ces résultats pourraient indiquer la présence d’une nouvelle particule.
Pendant ce temps, à la frontière franco-suisse, le Large Hadron Collider devrait passer à une luminosité plus élevée qui produira plus de collisions. De nouvelles preuves de particules ou d’autres phénomènes pourraient apparaître dans leurs données.
Toute cette excitation au sujet d’une oscillation peut sembler être une réaction excessive. Mais de minuscules écarts peuvent et ont conduit à des bouleversements massifs. Dans les années 1850, les astronomes mesurant l’orbite de Mercure ont remarqué qu’elle était un peu éloignée de ce que la théorie de la gravité de Newton prédirait. “Cette anomalie, ainsi que d’autres preuves, nous ont finalement conduits à la théorie de la relativité générale”, a déclaré Hooper.
« Personne ne savait de quoi il s’agissait, mais cela a amené les gens à réfléchir et à expérimenter. J’espère qu’un jour nous examinerons ce résultat de muons de la même manière.
Les références:
“Mesure du moment magnétique anormal du muon positif à 0,46 ppm” par B. Abi et al. (Collaboration Muon g-2), 7 avril 2021, Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.126.141801
« Mesure et analyse du champ magnétique pour le Muon g – 2 Expérience au Fermilab » par T. Albahri et al. (La collaboration Muon g-2), 7 avril 2021, Examen physique A.
DOI : 10.1103 / PhysRevA.103.042208
