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Des physiciens fascinés par l’approfondissement du mystère du magnétisme des particules muoniques


L’expérience Muon g – 2 du Laboratoire Fermi utilise cet électroaimant circulaire pour stocker les muons, afin que leur moment magnétique puisse être mesuré avec une précision sans précédent.Crédit : Laboratoire national de Brookhaven/SPL

Les mystères du muon continuent de laisser les physiciens en haleine. L’année dernière, une expérience a suggéré que la particule élémentaire avait un magnétisme inexplicablement fort, brisant peut-être une série de victoires de plusieurs décennies pour la principale théorie de la physique des particules, connue sous le nom de modèle standard. Maintenant, des calculs révisés par plusieurs groupes suggèrent que la prédiction de la théorie du magnétisme des muons n’est peut-être pas très éloignée des mesures expérimentales après tout.

Les nouvelles prédictions sont préliminaires et ne justifient pas complètement le modèle standard. Mais en réduisant l’écart entre la théorie et l’expérience, ils pourraient faciliter la résolution de l’écart, tout en en créant potentiellement un autre.

Le muon est presque identique à l’électron, sauf qu’il est 200 fois plus lourd et de courte durée, se désintégrant des millionièmes de seconde après avoir été créé lors de collisions de particules. Comme l’électron, le muon possède un champ magnétique qui le fait agir comme un minuscule barreau magnétique. Au fur et à mesure que les muons voyagent, ils génèrent diverses particules qui apparaissent et disparaissent brièvement. Ces particules éphémères augmentent légèrement le magnétisme du muon, appelé moment magnétique. La grande question est : de combien ?

Si le modèle standard inclut déjà toutes les particules élémentaires de l’univers, il devrait pouvoir quantifier précisément cet apport magnétique supplémentaire. Mais si les expériences prouvent que la nature s’écarte de cette prédiction, cela indiquerait l’existence de particules jusqu’ici inconnues, dont les apparitions fugaces peuvent fausser le moment magnétique du muon plus que prévu. Les chercheurs ont déjà vu des indices d’un tel écart et ont passé des décennies à essayer d’améliorer la précision de la théorie et des expériences pour confirmer si elles donnent des résultats différents.

Résultats contradictoires

En 2020, la communauté de la physique théorique a produit un document de consensus avec la prédiction la plus précise à ce jour pour le moment magnétique du muon1. Cela reposait en grande partie sur des calculs basés sur les principes fondamentaux du modèle standard, mais les chercheurs devaient intégrer certaines données expérimentales pour refléter l’influence magnétique de particules telles que les quarks et les gluons, qui ne pouvaient pas être calculées de manière adéquate en utilisant uniquement la théorie.

Ce calcul fut bientôt rejoint par la mesure expérimentale la plus précise du moment magnétique du muon. En avril 2021, le Muon g – 2 expériences au Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), à l’extérieur de Chicago, Illinois, ont rapporté que le moment magnétique du muon était significativement plus élevé que la prédiction théorique2.

Pourtant, le même jour, les physiciens d’une collaboration appelée BMW ont dévoilé des calculs séparés du moment magnétique qui ne nécessitaient pas l’assistance de données expérimentales. Ils ont utilisé une technique appelée lattice quantum chromodynamics (lattice QCD) pour simuler le comportement des quarks, des gluons et d’autres particules. Cela a fixé le moment magnétique du muon plus haut que le calcul du document de consensus de 2020, et plus proche du muon g – 2 valeur expérimentale3.

Lattice QCD n’avait pas joué un rôle de premier plan dans le document de consensus car à l’époque les prédictions de la technique n’étaient pas suffisamment précises. Des techniques mathématiques de pointe et une puissance de supercalcul ont par la suite aidé l’équipe BMW à donner à ses simulations QCD en treillis suffisamment d’élan pour passer à la vitesse supérieure. Depuis lors, au moins huit équipes de physiciens du monde entier ont couru pour valider ou améliorer la prédiction de BMW. Ils ont commencé par se concentrer sur une gamme limitée d’énergies de particules simulées par BMW.

Deux résultats préliminaires de cette «fenêtre» énergétique ont été publiés sur le référentiel de préimpression arXiv en avril 2022: un par Christopher Aubin de l’Université Fordham à New York et ses collaborateurs4et l’autre par Gen Wang à l’Université d’Aix-Marseille en France5. Plus tôt ce mois-ci, deux autres groupes – l’un dirigé par Hartmut Wittig de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence, en Allemagne, l’autre par Silvano Simula de l’Institut national de physique nucléaire de Rome – ont annoncé leurs propres résultats de fenêtre lors d’une conférence sur les muons à Los Angeles, Californie. Le groupe de Simula écrit une prépublication et le groupe de Wittig a soumis sa prépublication le 14 juin6. Les quatre calculs ont validé les propres résultats de la fenêtre de BMW, même si leurs techniques de réseau varient. «Des façons très différentes d’aborder le problème obtiennent un résultat très similaire», déclare Aubin.

Nouveau consensus

“Au fil du temps, les différents groupes convergent vers un résultat qui concorde avec celui de BMW, du moins dans la fenêtre intermédiaire”, explique Davide Giusti, physicien à l’Université de Ratisbonne, en Allemagne, qui est un ancien membre de la collaboration de Simula, et qui travaille maintenant avec un autre groupe de lattice-QCD dirigé par son collègue de Ratisbonne Christoph Lehner.

Mais les calculs sont encore préliminaires, et pourraient finir par diverger une fois appliqués au-delà de la fenêtre actuelle. “Nous ne savons pas encore si les résultats des treillis d’autres collaborations concordent avec le résultat BMW pour les autres pièces” du calcul, explique Aida El-Khadra, théoricienne à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, qui fait partie d’un autre effort QCD sur réseau.

De plus, le Muon g – 2 résultat expérimental est toujours supérieur à la valeur calculée par QCD sur réseau, il est donc trop tôt pour conclure que le modèle standard était correct tout du long. L’expérience du Fermilab prévoit de publier une valeur mise à jour pour le moment magnétique l’année prochaine, mais “même si l’écart entre la prédiction théorique et l’expérience s’avère être plus petit – même s’il n’est que de moitié – ce serait toujours un grand écart”. dit Witig.

Et si la CDQ sur réseau et les expériences finissent par converger vers la même valeur, les physiciens devraient encore expliquer pourquoi le document de consensus de 2020 était si erroné, déclare Sven Heinemeyer, physicien théoricien au CERN, le laboratoire européen de physique des particules près de Genève, Suisse.

Pour l’instant, les physiciens se grattent la tête. “Il serait difficile de croire que toutes nos simulations de réseau étaient fausses”, déclare Aubin. Mais il est également difficile d’imaginer comment les calculs basés sur les données de 2020 auraient pu mal tourner, dit-il.

Pourtant, il est déjà clair que la CDQ sur réseau aura un impact significatif sur la question du magnétisme des muons, déclare Giusti. “Ce calcul est vraiment excitant, et quelle que soit la réponse, elle sera décisive.”

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