En 2001 au Brookhaven National Laboratory à Upton, New York, une installation dédiée à la recherche en physique nucléaire et des hautes énergies, des scientifiques expérimentant avec une particule subatomique appelée muon ont rencontré quelque chose d'inattendu.

Pour expliquer les forces physiques fondamentales à l'œuvre dans l'univers et prédire les résultats d'expériences sur les particules de haute énergie comme celles menées à Brookhaven, Fermilab dans l'Illinois, et au Grand collisionneur de hadrons du CERN à Genève, La Suisse, les physiciens s'appuient sur la théorie vieille de plusieurs décennies appelée le modèle standard, ce qui devrait expliquer le comportement précis des muons lorsqu'ils sont tirés à travers un champ magnétique intense créé dans un anneau de stockage magnétique supraconducteur. Lorsque le muon de l'expérience de Brookhaven a réagi d'une manière différente de leurs prédictions, les chercheurs ont réalisé qu'ils étaient au bord d'une découverte qui pourrait changer la compréhension de la science sur le fonctionnement de l'univers.

Plus tôt ce mois-ci, après un effort de plusieurs décennies qui a impliqué la construction de capteurs plus puissants et l'amélioration de la capacité des chercheurs à traiter 120 téraoctets de données (l'équivalent de 16 millions de photographies numériques chaque semaine), une équipe de scientifiques du Fermilab a annoncé les premiers résultats d'une expérience appelée Muon g-2 qui suggère que la découverte de Brookhaven n'était pas un hasard et que la science est au bord d'une découverte sans précédent.

Le professeur de physique UVA Dinko Počanić est impliqué dans l'expérience Muon g-2 depuis près de deux décennies, et UVA Today ont parlé avec lui pour en savoir plus sur ce que cela signifie.

Q. Quels sont les résultats des expériences Brookhaven et Fermilab Muon g-2, et pourquoi sont-ils importants ?

R. Alors, dans l'expérience de Brookhaven, ils ont fait plusieurs mesures avec des muons positifs et négatifs - un instable, cousin plus massif de l'électron - dans des circonstances différentes, et quand ils ont fait la moyenne de leurs mesures, ils ont quantifié plus précisément que jamais une anomalie magnétique caractéristique du muon. Selon la mécanique quantique relativiste, la force du moment magnétique du muon (une propriété qu'il partage avec une aiguille de boussole ou un barreau magnétique) doit être de deux dans des unités sans dimension appropriées, la même chose que pour un électron. Le modèle standard stipule, cependant, que ce n'est pas deux, c'est un peu plus gros, et cette différence est l'anomalie magnétique. L'anomalie reflète le couplage du muon à à peu près toutes les autres particules qui existent dans la nature. Comment est-ce possible?

La réponse est que l'espace lui-même n'est pas vide; ce que nous considérons comme le vide contient la possibilité de création de particules élémentaires, donné assez d'énergie. En réalité, ces particules potentielles sont impatientes et sont virtuellement excitées, des étincelles dans l'espace pendant des instants incroyablement courts. Et aussi éphémère soit-elle, cette étincelle est "détectée" par un muon, et cela affecte subtilement les propriétés du muon. Ainsi, l'anomalie magnétique du muon fournit une sonde sensible du contenu subatomique du vide.

A la grande frustration de tous les physiciens praticiens de ma génération et des plus jeunes, le modèle standard a été incroyablement imperméable aux défis. Nous savons qu'il y a des choses qui doivent exister en dehors de lui car il ne peut pas décrire tout ce que nous savons sur l'univers et son évolution. Par exemple, cela n'explique pas la prévalence de la matière sur l'antimatière dans l'univers, et il ne dit rien sur la matière noire ou bien d'autres choses, donc nous savons qu'il est incomplet. Et nous avons essayé très fort de comprendre ce que ces choses pourraient être, mais nous n'avons encore rien trouvé de concret.

Donc, avec cette expérience, nous défions le modèle standard avec des niveaux de précision croissants. Si le modèle standard est correct, nous devrions observer un effet tout à fait cohérent avec le modèle car il inclut toutes les particules possibles que l'on pense présentes dans la nature, mais si nous voyons une valeur différente pour cette anomalie magnétique, cela signifie qu'il y a en fait autre chose. Et c'est ce que nous recherchons :cet autre chose.

Cette expérience nous dit que nous sommes sur le point d'une découverte.

Q. Quel rôle avez-vous pu jouer dans l'expérience ?

A. Je suis devenu membre de cette collaboration alors que nous venions de commencer à planifier le suivi de l'expérience de Brookhaven vers 2005, quelques années seulement après la fin de l'expérience de Brookhaven, et nous étudiions la possibilité de faire des mesures plus précises à Brookhaven. Finalement, cette idée a été abandonnée, car il s'est avéré que nous pouvions faire un bien meilleur travail au Laboratoire Fermi, qui avait de meilleures poutres, des muons plus intenses et de meilleures conditions d'expérimentation.

Donc, nous avons proposé que vers 2010, et il a été approuvé et financé par des agences de financement américaines et internationales. Une partie importante a été financée par une subvention d'instrumentation de recherche majeure de la National Science Foundation qui a été attribuée à un consortium de quatre universités, et UVA était l'un d'entre eux. Nous développions une partie de l'instrumentation pour la détection des positons qui émergent dans les désintégrations des muons positifs. Nous avons terminé ce travail, et c'est réussi, mon groupe s'est donc concentré sur les mesures précises du champ magnétique dans l'anneau de stockage du Laboratoire Fermi, une partie critique de la quantification de l'anomalie magnétique du muon. Mon collègue de l'UVA Stefan Baessler a également travaillé sur ce problème, et plusieurs étudiants et post-doctorants de l'UVA ont été actifs sur le projet au fil des ans.

Q. Fermilab a annoncé que ce ne sont que les premiers résultats de l'expérience. Que doit-il encore se passer avant de savoir ce que signifie cette découverte ?

R. Cela dépend des résultats de notre analyse des segments de parcours non encore analysés. L'analyse du premier essai a duré environ trois ans. La course a été achevée en 2018, mais je pense que maintenant que nous avons aplani certains des problèmes de l'analyse, ça peut aller un peu plus vite. Donc, dans environ deux ans, il ne serait pas déraisonnable d'avoir le prochain résultat, ce qui serait un peu plus précis car il combine les runs deux et trois. Ensuite, il y aura une autre course, et nous finirons probablement de prendre des données dans deux ans environ. La fin précise des mesures est encore quelque peu incertaine, mais je dirais que dans cinq ans environ, peut-être plus tôt, nous devrions avoir une image très claire.

Q. Quel type d'impact ces expériences pourraient-elles avoir sur notre vie quotidienne ?

R. L'un des moyens consiste à pousser des technologies spécifiques à l'extrême pour résoudre différents aspects de la mesure afin d'obtenir le niveau de précision dont nous avons besoin. L'impact viendrait probablement dans des domaines comme la physique, l'industrie et la médecine. Il y aura des retombées techniques, ou au moins des améliorations des techniques, mais quels spécifiques en sortiront, c'est difficile à prévoir. D'habitude, nous poussons les entreprises à fabriquer des produits dont nous avons besoin qu'elles ne fabriqueraient pas autrement, et puis un nouveau champ s'ouvre pour eux en termes d'applications pour ces produits, et c'est ce qui arrive souvent. Le World Wide Web a été inventé, par exemple, parce que les chercheurs comme nous devaient pouvoir échanger des informations de manière efficace sur de grandes distances, autour du monde, vraiment, et c'est ainsi que nous avons, bien, navigateurs Internet, Zoom, Amazon et tout ce genre de choses aujourd'hui.

L'autre façon dont nous bénéficions est d'éduquer de jeunes scientifiques - dont certains continueront dans les carrières scientifiques et universitaires comme moi-même - mais d'autres iront dans différents domaines d'activité dans la société. Ils apporteront avec eux une expertise dans des techniques de mesure et d'analyse de très haut niveau que l'on ne retrouve normalement pas dans de nombreux domaines.

Puis, finalement, un autre résultat est l'amélioration intellectuelle. L'un des résultats de ce travail sera de nous aider à mieux comprendre l'univers dans lequel nous vivons.

Q. Pourrions-nous voir d'autres découvertes comme celle-ci dans un avenir proche ?

R. Oui, il existe toute une classe d'expériences en plus de celle-ci qui examinent des tests très précis du modèle standard de plusieurs manières. Je me souviens toujours du vieil adage selon lequel si vous perdez vos clés dans la rue tard dans la nuit, tu vas d'abord les chercher sous le réverbère, et c'est ce que nous faisons. Donc partout il y a un lampadaire, regardaient. C'est l'un de ces endroits - et il y en a plusieurs autres, bien, Je dirais des dizaines d'autres, si vous incluez également les recherches en cours pour les particules subatomiques comme les axions, candidats à la matière noire, des processus exotiques comme la double désintégration bêta, et ce genre de choses. Un de ces jours, de nouvelles choses seront trouvées.

Nous savons que le modèle standard est incomplet. Ce n'est pas faux, dans la mesure où il va, mais il y a des choses en dehors qui n'incorporent pas, et nous les trouverons.