Depuis des décennies, les scientifiques qui étudient le muon ont été intrigués par un motif étrange dans la façon dont les muons tournent dans les champs magnétiques, un qui a laissé les physiciens se demander si cela peut être expliqué par le modèle standard - le meilleur outil dont disposent les physiciens pour comprendre l'univers.

Cette semaine, une équipe internationale de plus de 170 physiciens a publié la prédiction la plus fiable à ce jour pour la valeur théorique du moment magnétique anormal du muon, ce qui expliquerait sa rotation particulière, ou précession. Le moment magnétique des particules subatomiques est généralement exprimé en termes de facteur de Landé sans dimension, appelé g. Alors qu'un certain nombre de groupes internationaux ont travaillé séparément sur le calcul, cette publication marque la première fois que la communauté mondiale de la physique théorique se réunit pour publier une valeur consensuelle pour le moment magnétique du muon.

Le résultat diffère de la mesure expérimentale la plus récente, qui a été réalisée au Brookhaven National Laboratory en 2004, mais pas suffisamment pour répondre sans ambiguïté à cette question.

Maintenant, le monde attend le résultat de l'expérience actuelle Muon g-2 du Fermilab. Dans les mois à venir, les physiciens travaillant sur l'expérience dévoileront leur mesure préliminaire de la valeur. En fonction de la différence entre le calcul théorique du modèle standard et la mesure expérimentale à venir, les physiciens pourraient faire un pas de plus pour déterminer si les interactions magnétiques du muon font allusion à des particules ou à des forces qui n'ont pas encore été découvertes.

A la fin des années 1960 au laboratoire du CERN, les scientifiques ont commencé à utiliser un grand anneau magnétique circulaire pour tester la théorie qui décrit comment les muons devraient « vaciller » lorsqu'ils se déplacent dans un champ magnétique. Depuis, les expérimentateurs ont continué à quantifier cette oscillation, faire des mesures de plus en plus précises du moment magnétique anormal du muon.

L'effort de plusieurs décennies a finalement conduit à une expérience au Brookhaven National Laboratory et à son successeur au Fermilab, ainsi que des plans pour une nouvelle expérience au Japon. À la fois, les théoriciens ont travaillé pour améliorer la précision de leurs calculs et affiner leurs prédictions.

La valeur théorique du moment magnétique anormal du muon, publié aujourd'hui, est:

a =(g-2)/2 (muon, théorie) =116 591 810(43) x 10 ^-12

Le résultat expérimental le plus précis disponible à ce jour est :

a =(g-2)/2 (muon, expmt) =116 592 089 (63) x 10 ^-12

De nouveau, le léger décalage entre les mesures expérimentales et la valeur prédite a persisté, et encore une fois, il est juste en dessous du seuil pour faire une déclaration définitive.

Cette valeur théorique, publié dans l'arXiv, est le résultat de plus de trois ans de travail de 130 physiciens de 78 institutions dans 21 pays.

"Nous n'avons jamais eu d'effort théorique comme celui-ci auparavant dans lequel toutes les différentes évaluations sont combinées en une seule prédiction de modèle standard, " a déclaré Aïda El-Khadra, physicien à l'Université de l'Illinois et coprésident du comité directeur de la Muon g-2 Theory Initiative, le nom du groupe de scientifiques qui ont travaillé sur le calcul.

Leurs travaux s'appuient sur une seule équation publiée en 1928 qui a simultanément lancé le domaine de l'électrodynamique quantique et jeté les bases de l'expérience Muon g-2.

Une théorie élégante

Si vous deviez demander aux physiciens ce qu'ils considèrent comme l'équation la plus précise et la plus réussie dans leur domaine, il y a de fortes chances que certains diront que c'est l'équation de Dirac, qui décrit la théorie quantique relativiste de l'électron. Publié en 1928, Dirac a décrit le mouvement de spin des électrons, et son équation a comblé le fossé entre la théorie de la relativité d'Einstein et la théorie de la mécanique quantique, et prédit involontairement l'existence de l'antimatière avec une seule équation.

Dirac a également pu calculer ce qu'on appelle le moment magnétique de l'électron, qu'il a décrit comme étant "un bonus inattendu".

Les électrons peuvent être considérés comme de minuscules toupies qui tournent sur leur axe, une propriété intrinsèque qui fait que chaque électron agit comme un minuscule aimant. Lorsqu'il est placé dans un champ magnétique, comme celles générées dans les accélérateurs de particules, les électrons précéderont ou oscilleront sur leur axe selon un schéma spécifique et prévisible. Cette oscillation est un effet du moment magnétique de la particule, et cela s'applique à plus que des électrons. Chaque particule chargée électriquement avec ½ spin (le spin est quantifié en demi-unités) se comporte de la même manière, y compris des particules appelées muons, qui ont les mêmes propriétés que les électrons mais sont plus de 200 fois plus massives.

l'équation de Dirac, qui ne prenait pas en compte les effets des fluctuations quantiques, prédit que g serait égal à 2. L'expérience a montré que la valeur réelle diffère de cette simple attente, d'où le nom « muon g-2 ».

Les physiciens ont maintenant une bien meilleure compréhension de ce que sont ces fluctuations quantiques et comment elles se comportent à l'échelle subatomique, mais calculer précisément comment ils affectent la trajectoire du muon n'est pas une tâche facile.

"Calculer les effets de ces fluctuations quantiques au niveau de précision exigé par l'expérience moderne n'est pas quelque chose qu'une personne brillante peut faire seule, " a déclaré El-Khadra. " Cela prend vraiment tout le village. "

Rencontre des esprits

Avec autant de physiciens travaillant sur les derniers développements de la théorie dans le monde, El-Khadra et ses collègues du Fermilab savaient que le meilleur moyen de faciliter les interactions entre les groupes était de les réunir tous. Donc, à partir de 2016, El-Khadra et ses collègues du Fermilab Theory Group, avec Christoph Lehner, scientifique du Brookhaven National Laboratory, Co-président de l'Initiative Théorie, et plusieurs autres collaborateurs internationaux ont contacté les leaders de la communauté mondiale des physiciens travaillant sur ce problème pour mettre sur pied une nouvelle initiative, l'Initiative sur la théorie du Muon g-2. L'initiative, dirigé par un comité directeur de neuf personnes qui comprend les dirigeants de tous les principaux efforts à la fois théoriques et expérimentaux, organisé une série d'ateliers à travers le monde, y compris aux États-Unis, Japon et Allemagne, dont le premier a été hébergé au Fermilab en 2017.

"Nous avons eu des discussions très intenses, " El-Khadra a dit, "Cela a conduit à des comparaisons plus détaillées et à une meilleure compréhension des avantages et des inconvénients des différentes approches."

La création de la Muon g-2 Theory Initiative a été le premier effort international cohérent pour rassembler toutes les parties travaillant sur la valeur du modèle standard du moment magnétique anormal du muon.

« Avant le début de cette initiative, il y avait un certain nombre d'évaluations dans la littérature de la valeur du modèle standard, dont chacune différait légèrement des autres, " a déclaré Lee Roberts, scientifique de l'Université de Boston, co-fondateur de l'expérience Fermilab et membre du comité de pilotage de l'initiative. "Ce qui est remarquable, c'est que cette communauté mondiale a pu se réunir et se mettre d'accord sur la 'meilleure' valeur pour chacune des contributions à la valeur du moment magnétique du muon."

Calculs quantiques

"Les muons et autres particules de spin-½ ne sont jamais vraiment seuls dans l'univers, " a déclaré le scientifique du Fermilab Chris Polly, qui est l'un des porte-parole de Muon g-2, avec Mark Lancaster, physicien de l'Université de Manchester. "Ils interagissent avec tout un entourage de particules qui surgissent et disparaissent constamment de l'existence."

Les deux principales sources d'incertitude sont la polarisation hadronique du vide et la diffusion lumière par lumière, dans laquelle un muon émet et réabsorbe des photons après avoir traversé une bulle de quarks et de gluons. Ces deux facteurs se combinent pour représenter moins de 0,01 % de l'effet sur l'oscillation du muon, mais constituent la principale source d'incertitude dans le calcul de la théorie.

Le calcul de la diffusion lumière par lumière de la contribution hadronique s'est avéré particulièrement difficile, et avant le début de la Muon g-2 Theory Initiative, les physiciens n'avaient pas encore produit d'estimations fiables de ses effets. Le mieux qu'ils aient pu gérer était des approximations grossières qui ont amené certains à se demander si ces évaluations de la diffusion lumière par lumière pouvaient être à l'origine de la différence entre le moment magnétique anormal calculé du muon et la valeur mesurée expérimentalement.

Mais les théoriciens sont maintenant convaincus qu'ils peuvent lever ces doutes. Grâce aux efforts héroïques de ces dernières années au sein de la communauté théorique, pas un seul, mais deux évaluations indépendantes sont désormais disponibles, chacun avec des incertitudes estimées de manière fiable, qui sont inclus dans l'erreur totale de la prédiction du modèle standard énumérée ci-dessus.

« Nous avons maintenant quantifié la contribution de la diffusion lumière par lumière dans la mesure où elle ne peut plus être utilisée comme explication pour sauver le modèle standard si la valeur expérimentale s'avère différer de manière significative de la prédiction théorique, " a déclaré Christoph Lehner, physicien du Laboratoire national de Brookhaven, Co-président de l'Initiative Théorie.

Et avec tant d'équitation sur la ligne, El-Khadra et d'autres membres de la Theory Initiative n'ont rien laissé au hasard.

"Nous avons fortement souligné l'importance d'inclure des évaluations basées sur plusieurs méthodes différentes dans notre construction du modèle standard de prédiction du moment magnétique anormal du muon, " dit El-Khadra. " Parce que si nous trouvons que la mesure de l'expérience Fermilab est incompatible avec le modèle standard, nous voulons être sûrs."