Des scientifiques des laboratoires nationaux du département américain de l'Énergie (DOE) collaborent pour tester une propriété magnétique du muon. Leur expérience pourrait indiquer l'existence d'une physique au-delà de notre compréhension actuelle, y compris les particules non découvertes.

L'expérience fait suite à celle qui a commencé en 1999 au laboratoire national de Brookhaven du DOE, dans laquelle les scientifiques ont mesuré la précession de spin du muon, c'est-à-dire la vitesse à laquelle son spin change de direction, ce qui est différent des prédictions théoriques. Des scientifiques du Laboratoire national de l'Argonne et du Laboratoire national de l'accélérateur Fermi, avec des collaborateurs de plus de 25 autres institutions, recréent l'expérience avec une précision beaucoup plus élevée pour confirmer ou infirmer les premiers résultats antérieurs.

Le muon est comme le (très) grand frère de l'électron; ils ont la même charge, mais le muon est plus de 200 fois plus massif. Les deux partagent également le même spin, une propriété de mécanique quantique qui détermine le comportement d'une particule en présence d'un champ magnétique.

Les particules avec un spin agissent comme de minuscules aimants, et lorsqu'il est placé dans un champ magnétique, leurs tours changent de direction dans un mouvement circulaire, un peu comme un gyroscope en rotation. La vitesse de précession de spin d'une particule est déterminée par une quantité connue sous le nom de facteur g, qui dépend du spin de la particule et de la force du champ magnétique dans lequel elle se déplace.

Dans les théories modernes de la mécanique quantique, le vide n'est pas vide. Il est plein de bulles de particules dites virtuelles, apparaissent et disparaissent très rapidement. Interactions entre ces particules virtuelles et une particule réelle, comme le muon, peut changer la façon dont la particule réelle interagit avec le champ magnétique, affectant son facteur g. Les physiciens théoriques ont calculé, sur la base de notre compréhension actuelle de la structure fondamentale de la nature, toutes les façons dont chaque particule connue affecte le facteur g du muon, mais les mesures que les scientifiques de Brookhaven ont prises différaient de ce qu'ils attendaient de quelques parties par million. Cette différence, s'il persiste dans la nouvelle expérience, indiquerait une toute nouvelle physique, une découverte passionnante pour les physiciens des particules.

« S'il y a effectivement un écart entre les valeurs prédites et mesurées, c'est une preuve supplémentaire que le modèle standard, notre compréhension actuelle du contenu de l'univers, est incomplet, " a déclaré le physicien d'Argonne Peter Winter. " L'effet inattendu pourrait être dû à une particule non découverte. "

Dans la nouvelle expérience, situé au Fermilab, un faisceau se déplacera en cercle à travers un grand, anneau creux en raison de la présence d'un fort champ magnétique. Le même champ magnétique conduira également à la précession des spins du muon pendant qu'ils tournent autour de l'anneau. Les scientifiques peuvent calculer le facteur g en détectant la précession de spin des muons et en connaissant l'intensité du champ magnétique dans l'anneau.

Pour obtenir la précision souhaitée, la fréquence de précession de spin et la force du champ magnétique doivent être mesurées avec des incertitudes inférieures à 70 parties par milliard. Le groupe de recherche d'Argonne a pris la responsabilité de mesurer le champ magnétique avec une telle précision. "Le jeu de notre expérience est de contrôler toute incertitude systématique qui pourrait fausser nos mesures précises, " dit Winter.

Ce niveau de précision nécessite des dispositifs de sondage très sensibles que les scientifiques ont calibrés à l'aide de champs très stables et isolés produits par des machines d'imagerie par résonance magnétique recyclées à Argonne.

Une fois les sondes étalonnées, les scientifiques en ont placé 17 sur un chariot circulaire qui se déplace sur l'anneau du Fermilab. Le chariot mesure le terrain vers 10, 000 points, créer une carte de l'intensité du champ partout dans l'anneau. Le chariot repose sur deux rails qui longent les côtés du tube, et les scientifiques déplacent le chariot autour de l'anneau à l'aide de deux câbles attachés à des bobines motorisées.

"Ce chariot doit se déplacer dans le vide, " dit Ran Hong, un post-doctorant Argonne sur l'étude, "Donc, à la fois contrôler son mouvement et recevoir les données des sondes est très difficile."

Pour déranger le moins possible le terrain, un seul câble de signal isolé relie le chariot au monde extérieur. Ce câble envoie des informations au chariot pour le guider dans la boucle, et il renvoie les données des sondes à la salle de contrôle.

L'ancien système utilisé à Brookhaven pour l'expérience de ce laboratoire envoyait les informations à l'aide d'un signal analogique, mais les scientifiques et ingénieurs d'Argonne ont numérisé le signal pour augmenter la quantité de données obtenues. "L'accès à plus de données brutes permet une meilleure analyse, et il a conduit à une augmentation de 10 fois la précision, " dit Winter.

En raison du plus grand ensemble de données numériques, le câble ne peut envoyer des informations que dans une direction à la fois. "Nous devons basculer entre l'envoi des instructions du chariot et la réception des données, " a déclaré Hong. " Environ toutes les 20 millisecondes, les commutateurs de direction."

Les scientifiques ont mis en place l'expérience Muon g-2 depuis six ans. Cette année, ils commenceront à prendre des données officielles. L'expérience durera des mois, mesurant la précession de spin d'environ un billion de muons. Tous les deux à trois jours, l'expérience s'arrêtera pour permettre au chariot de mesurer le champ, et des sondes plus petites à l'extérieur de la chambre à vide évalueront le champ à tout moment pendant que l'expérience se déroule.

"Contrairement aux expériences à grande échelle qui tentent de détecter directement des particules inconnues, notre approche est de rechercher des effets indirects qui changent quelque chose à très petite échelle, " dit Winter. " En mesurant très précisément ce facteur, nous pouvons en déduire s'il y a ou non quelque chose de nouveau."

Si les nouvelles données confirment la mesure précédente, les scientifiques prévoient de mener l'expérience avec une précision encore plus élevée. L'analyse de ces nouvelles données pourrait donner une idée de la nature de la nouvelle physique, et pourrait indiquer quel détecteur devrait être construit pour observer directement les nouvelles particules potentielles.