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Les muons cacheraient-ils une nouvelle force de la nature?

Évocation du calcul de l'effet de la polarisation du vide sur le magnétisme du muon.

Comme une toupie, le muon (µ) tourne sur lui-même, devenant un minuscule aimant entouré d'un champ magnétique. Le muon suit une trajectoire le long de laquelle il interagit avec l'aimant de l'expérience « Muon g-2 » et avec des particules virtuelles du vide quantique.

Photo : Penn State University/Dani Zemba

Radio-Canada

Les particules élémentaires appelées muons se comportent d'une manière qui n'est pas prévue par le modèle standard de la physique des particules, montrent les premiers résultats de l'expérience Muon g-2 réalisée au Fermilab, un laboratoire spécialisé dans la physique des particules situé à Chicago, aux États-Unis.

Dans la première phase de l’expérience, les physiciens ont placé 8 milliards de muons autour d'un anneau de 14 mètres, puis ils ont appliqué un champ magnétique. Selon les lois de la physique du modèle standard, cela devait faire osciller les muons à un certain rythme. Au lieu de cela, les scientifiques ont constaté que les muons oscillaient à un rythme plus rapide que prévu.

L'anneau de 14 mètres de l'expérience Muon g-2 au Fermilab.

L'expérience Muon g-2 au Fermilab se déroule dans un anneau de 14 mètres dans lequel les scientifiques appliquent un champ magnétique.

Photo : Fermilab/Reidar Hahn

C’est pour cette raison que les physiciens pensent être en présence d’une force de la nature totalement inconnue à la science.

Ces résultats historiques, obtenus avec une précision sans précédent, tendent à confirmer que les muons s'écartent du modèle standard et qu’ils pourraient interagir avec des particules ou des forces encore inconnues.

Nous pourrions être sur le point de découvrir une nouvelle force ou une nouvelle particule, au-delà de celles que nous connaissons actuellement, affirme le physicien américain Lawrence Gibbons, de l’Université Cornell.

Avec la première phase de l’expérience, il reste quand même une chance sur 40 000 que le résultat soit un hasard statistique. Pour que les scientifiques puissent prétendre à une découverte hors de tout doute, il faut que la possibilité d’une coïncidence passe à une chance sur 3,5 millions. Grâce aux quatre autres phases, les scientifiques pourraient y arriver.

Muon 101

  • Le muon est une particule élémentaire de charge électrique négative;
  • Il possède les mêmes propriétés physiques que son cousin l'électron, mais sa masse est 207 fois plus grande que ce dernier;
  • Il a une durée de vie d’environ 2 microsecondes;
  • Les muons apparaissent naturellement lorsque les rayons cosmiques frappent l'atmosphère terrestre;
  • Les accélérateurs de particules peuvent aussi les produire.

Comme un aimant

Qu'il s'agisse de coller un aimant sur un réfrigérateur ou d'une pomme qui tombe d'un arbre, les forces de la physique sont présentes à chaque moment. Toutes ces forces peuvent être réduites à quatre catégories : la gravité, l'électromagnétisme, l’interaction forte et l’interaction faible. Les présents résultats laissent à penser qu’il existe une cinquième force fondamentale dans la nature.

À l’instar des électrons, les muons agissent comme s'ils possédaient un minuscule aimant interne. Dans un champ magnétique puissant, la direction de l'aimant du muon oscille, un peu comme l'axe d'une toupie ou d’un gyroscope.

La force de l'aimant interne détermine la vitesse de précession (mouvement de rotation) du muon dans un champ magnétique externe. Les physiciens l’appellent le facteur g. Ce nombre peut être calculé avec une très grande précision.

Lorsque les muons circulent dans l'aimant de l’expérience Muon g-2, ils interagissent également avec un bouillon 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.

Or, si le bouillon quantique contenait des forces ou des particules supplémentaires non prises en compte par le modèle standard, cela modifierait encore le facteur g du muon.

Cette quantité que nous mesurons reflète les interactions du muon avec tout ce qui existe dans l'Univers. Mais lorsque les théoriciens calculent la même quantité, en utilisant toutes les forces et particules connues du modèle standard, nous n'obtenons pas la même réponse, explique Renee Fatemi, physicienne à l'Université du Kentucky et responsable des simulations pour l'expérience Muon g-2.

C'est une preuve solide que le muon est sensible à quelque chose qui ne se trouve pas dans notre théorie (le modèle standard).

Une citation de :Renee Fatemi

Plus de 200 scientifiques de 35 institutions de 7 pays ont participé à l’expérience.

Les chercheurs analysent actuellement les données des deuxième et troisième phases de l'expérience. La quatrième phase est en cours, et une cinquième est prévue sous peu. En combinant les résultats des cinq cycles, les scientifiques obtiendront une mesure encore plus précise de l'oscillation du muon, révélant avec plus de certitude si une nouvelle physique se cache dans le bouillon quantique, expliquent les scientifiques dans un communiqué.

Jusqu'à présent, nous avons analysé moins de 6 % des données que l'expérience finira par recueillir. Bien que ces premiers résultats nous indiquent qu'il existe une différence intrigante avec le modèle standard, nous en apprendrons beaucoup plus au cours des deux prochaines années, conclut Chris Polly du Fermilab.

Déjà en 2001, une expérience menée au Brookhaven National Laboratory laissait entrevoir que le comportement du muon allait à l'encontre du modèle standard. La nouvelle mesure de l'expérience Muon g-2 le confirme, en quelque sorte.

Le détail de ces travaux est publié dans les Physical Review Letters (Nouvelle fenêtre) (en anglais).

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