La mystérieuse oscillation des muons

Vous pourriez penser que les physiciens des particules seraient tristes lorsqu’une expérience donne des résultats différents de ceux que leur théorie prédirait, mais rien n’éclaircit un champ comme des phénomènes inexpliqués. En effet, les physiciens des particules recherchent fébrilement des écarts par rapport au modèle standard. Cette année, il y a eu des signes alléchants qu’une longue divergence non résolue entre la théorie et l’expérience sera confirmée par de nouveaux résultats expérimentaux.

En particulier, la quête pour mesurer le moment magnétique des muons a commencé il y a plus de 60 ans, et cela a été mesuré de plus en plus précisément depuis. D’une expérience en 1959 au CERN en Suisse, au tournant du siècle à Brookhaven, en passant par le résultat de cette année au Laboratoire Fermi, le moment magnétique du muon semble être en contradiction avec les prévisions théoriques.

Bien qu’un coup de chance statistique soit fondamentalement exclu, cette valeur repose également sur des calculs théoriques complexes qui ne sont pas tous d’accord. Au lieu d’annoncer une nouvelle ère de la physique, cela pourrait bien être un autre titre trop beau pour être vrai. Mais certains physiciens marmonnent «nouvelle particule» à voix basse. Voyons de quoi il s’agit.

Le grand frère de l’électron

Le muon est souvent appelé le grand frère de l’électron: c’est une particule élémentaire à charge négative, et elle est environ 200 fois plus lourde que son petit frère. Les muons sont omniprésents car ils sont produits lorsque les rayons cosmiques se brisent dans les atomes de notre atmosphère. Si vous tenez la main, il y a probablement un muon qui le traverse toutes les secondes. Pour étudier les muons, ils peuvent également être produits artificiellement à l’aide d’accélérateurs de particules qui imitent les réactions se produisant dans notre atmosphère. Le faisceau de muons généré peut ensuite être mis en circulation et stocké dans un grand anneau magnétique.

Les muons ont un spin et une charge qui créent un moment magnétique, qui mesure la force et l’orientation de son champ magnétique. Vous pouvez imaginer des muons comme de minuscules aimants permanents dont l’orientation s’aligne lorsqu’ils sont placés dans un champ magnétique externe. Le «facteur g» est une constante de proportionnalité sans dimension entre le moment magnétique et le spin.

En utilisant des mathématiques sophistiquées, on peut calculer le facteur g pour les muons (ou électrons) à partir de l’équation de Dirac, qui donne une valeur d’exactement 2. Mais ce n’est pas toute la vérité: en électrodynamique quantique (QED), les particules «virtuelles» peuvent apparaître et disparaître, tant qu’ils le font assez rapidement pour tomber sous le couvert du principe d’incertitude de Heisenberg. Cette boucle dans et hors d’existence conduit à des termes de correction dans les calculs. Pour le muon, les corrections de boucle conduisent à un facteur g qui n’est pas exactement 2 mais 2,00233183620, et la différence est appelée moment magnétique anormal du muon.

Tout ce dont vous avez besoin est un aimant géant

En 1959, le CERN a décidé de mener une expérience qui devrait tester la validité de l’électrodynamique quantique, qui prédisait le moment magnétique anormal du muon. Ignorant la tradition habituelle de proposer un acronyme créatif, l’expérience a été simplement appelée «g-2» (prononcé «gee moins deux»).

Dans l’expérience, un faisceau de protons du synchrocyclotron du CERN a été projeté sur une cible pour produire un faisceau de pions qui se désintègrent immédiatement en muons. Ce faisceau de muons est ensuite entré dans un aimant de six mètres de long.

Le champ magnétique était orienté verticalement vers le faisceau de muons, ce qui a provoqué la courbure des muons en un trajet circulaire. Le champ magnétique variait également de la gauche vers la droite, ce qui a été obtenu en insérant soigneusement des cales calculées exactement dans l’aimant. Cela a fait dériver lentement les muons de gauche à droite en formant une courbe en spirale.

Dans ce champ magnétique, le spin des muons vacille (précession) tout comme le spin des protons dans une machine IRM. A l’extrémité droite de l’aimant, les muons sont éjectés et la direction de leur spin par rapport à leur impulsion est analysée. A partir de cette mesure, le moment magnétique anormal peut être calculé car il est sensible à la différence entre la fréquence orbitale et la fréquence de précession de spin. Seulement six mois après le début, l’expérience a abouti à un résultat de g = 2,001165 ± 5 qui était bien en accord avec la valeur théorique à ce moment-là et a ainsi confirmé la validité du QED. Dans les années à venir, une deuxième expérience avec une précision 25 fois supérieure a en fait trouvé une différence entre la théorie et la mesure, mais celle-ci a disparu après que les théoriciens ont affiné leurs modèles. Une troisième et dernière expérience au CERN a confirmé ces nouveaux résultats théoriques avec une précision étonnante de 0,0007% (7 ppm).

La tension entre théorie et expérience

En 1984, les États-Unis ont pris le relais dans l’étude du moment magnétique anormal du muon. En utilisant l’accélérateur de protons du Brookhaven National Laboratory (BNL), leur expérience a introduit plusieurs améliorations par rapport aux mesures du CERN. Celles-ci comprenaient une intensité de protons plus élevée, un aimant supraconducteur de 14 m de diamètre – le plus grand du monde à l’époque – une injection de muons plus efficace et une focalisation électrostatique du faisceau de muons ainsi que des numériseurs de formes d’onde de 400 MHz sur mesure. Le but de l’expérience était d’atteindre une précision de 0,35 ppm afin de vérifier les corrections de boucle provoquées par les bosons W et Z découverts l’année précédente au CERN.

Pour obtenir un résultat objectif, la collaboration a utilisé une «analyse aveugle». Il s’agit d’une technique courante utilisée en physique des particules pour éviter le biais involontaire vers un certain résultat de la part des personnes analysant les données. Il est similaire à l’essai clinique randomisé en double aveugle utilisé dans la recherche médicale. Dans l’expérience BNL, l’analyse des données pour obtenir les deux fréquences à partir desquelles le g-2 pouvait être calculé a été réalisée par deux équipes différentes. De plus, chaque fréquence présentait un décalage artificiellement introduit qui était inconnu de l’équipe d’analyse des données et qui n’était soustrait qu’après la correction du résultat.

Lorsque le cycle final de prise de données s’est terminé en 2001, le résultat combiné était en désaccord avec la théorie de 2,2 à 2,7 écarts-types en fonction du calcul théorique. Cela a provoqué de nombreuses discussions sur la question de savoir si cela pouvait être un indice vers une nouvelle physique, car des particules encore non découvertes conduiraient à des termes de correction supplémentaires à la valeur théoriquement calculée. Comme pour tout autre résultat, il y a bien sûr la possibilité moins spectaculaire qu’il ne s’agisse que d’une fluctuation statistique qui, à 2,7 écarts-types, est peu probable, mais comme l’histoire s’est avérée pas du tout impossible. Une autre explication ennuyeuse serait une erreur systématique non expliquée dans l’expérience.

Et la valeur théorique n’est pas en elle-même à l’épreuve des balles. En effet, il existe de grandes corrections des boucles de particules qui impliquent des particules fortement interactives qui ne peuvent pas être calculées à partir de la théorie. Au lieu de cela, les théoriciens utilisent des taux de production mesurés à partir d’autres expériences pour ces particules pour se rapprocher du terme de correction.

Un résultat attendu avec impatience

En 2013, l’aimant supraconducteur de l’expérience BNL a été transporté sur 3200 miles jusqu’au Fermilab près de Chicago afin de répéter l’expérience en utilisant leur faisceau de muons plus intense. Le résultat était très attendu par la communauté des physiciens car la tension entre la théorie et l’expérience n’avait pas été résolue depuis 20 ans.

Il y a quelques semaines, le Laboratoire Fermi a publié son premier résultat qui a de nouveau été obtenu par une analyse à l’aveugle où la fréquence de leur horloge principale a été confiée à deux autres physiciens en dehors de la collaboration. Après avoir dévoilé les données, il est devenu clair que le résultat confirme la mesure BNL.

La tension combinée entre la théorie et l’expérience s’élève maintenant à 4,2 écarts types, ce qui est juste un peu en dessous du seuil de 5 écarts types pour revendiquer une nouvelle découverte. Pourtant, la différence entre les valeurs théoriques et expérimentales est suffisamment grande pour que les chances que cela se produise au hasard soient d’environ 1 à 40 000. Une erreur expérimentale est également peu probable, maintenant que le résultat est confirmé par deux expériences indépendantes, même si elles utilisent la même technique et certains des mêmes équipements.

Ironiquement, la valeur théorique pourrait être à blâmer. En fait, le jour même où le Laboratoire Fermi a publié son résultat, un nouvel article théorique publié dans Nature, mais déjà disponible depuis l’année dernière sous forme de pré-impression, arrive à une valeur réellement compatible avec les données expérimentales. Cette nouvelle valeur théorique a été entièrement calculée à partir de zéro en utilisant des calculs dits de treillis exécutés sur un supercalculateur. Cependant, le résultat est loin de la valeur théorique consensuelle et doit encore être confirmé par d’autres calculs indépendants. Mais comme mentionné précédemment, il s’est déjà produit avant que la tension entre la théorie et l’expérience ait disparu après que les théoriciens aient réévalué leur modèle. Lorsque la théorie et l’expérience se perfectionnent, elles deviennent toutes deux plus nettes.

On ne sait donc toujours pas si le modèle standard actuel de physique des particules a finalement été ouvert. Beaucoup de gens doutent que le résultat du g-2 soit dû à une nouvelle particule, car nous aurions déjà dû le voir dans les collisionneurs de particules actuels comme le LHC. D’un autre côté, il pourrait être juste au coin de la rue, être trouvé par des collisionneurs actuels ou dans un proche avenir. En attendant, le Laboratoire Fermi est déjà occupé à analyser certaines de ses données les plus récentes et continue de prendre des données afin que nous puissions nous attendre à une valeur g-2 plus précise prochainement. Le sujet est certainement l’un des plus passionnants de la physique des particules à l’heure actuelle et il vaut la peine de le garder à l’œil.