La physique moderne est pleine du genre de sinueux, des intrigues à l'intérieur d'un puzzle que vous trouveriez dans un roman policier classique :les physiciens et les détectives doivent soigneusement séparer les indices importants des informations sans rapport. Les physiciens et les détectives doivent parfois aller au-delà de l'explication évidente pour révéler pleinement ce qui se passe.

Et pour les physiciens et les détectives, des découvertes capitales peuvent dépendre de déductions au niveau de Sherlock Holmes basées sur des preuves faciles à ignorer. Exemple concret :l'expérience Muon g-2 actuellement en cours au Fermi National Accelerator Laboratory du département américain de l'Énergie.

L'expérience actuelle du Muon g-2 (prononcé "g moins deux") est en fait une suite, une expérience conçue pour réexaminer une légère divergence entre la théorie et les résultats d'une expérience antérieure au Brookhaven National Laboratory, qui s'appelait aussi Muon g-2.

L'écart pourrait être un signe qu'une nouvelle physique est en marche. Les scientifiques veulent savoir si la mesure tient le coup… ou s'il ne s'agit que d'un faux-fuyant.

La collaboration Fermilab Muon g-2 a annoncé qu'elle présentera son premier résultat le 7 avril. D'ici là, déballons les faits de l'affaire.

Le mystérieux moment magnétique

Tout tourne, les objets chargés, y compris les muons et leurs congénères de particules mieux connus, électrons — génèrent leurs propres champs magnétiques. La force du champ magnétique d'une particule est appelée son "moment magnétique" ou son "facteur g". (C'est ce à quoi la partie "g" de "g-2" fait référence.)

Pour comprendre la partie "-2" de "g-2, " il faut remonter un peu dans le temps.

Des expériences de spectroscopie dans les années 1920 (avant la découverte des muons en 1936) ont révélé que l'électron a un spin intrinsèque et un moment magnétique. La valeur de ce moment magnétique, g, a été trouvé expérimentalement à 2. Quant à savoir pourquoi c'était la valeur, ce mystère a rapidement été résolu en utilisant le domaine nouveau mais en croissance rapide de la mécanique quantique.

En 1928, Le physicien Paul Dirac, s'appuyant sur les travaux de Llewelyn Thomas et d'autres, a produit une équation désormais célèbre qui combinait la mécanique quantique et la relativité restreinte pour décrire avec précision le mouvement et les interactions électromagnétiques des électrons et de toutes les autres particules ayant le même nombre quantique de spin. L'équation de Dirac, qui incorporait le spin comme partie fondamentale de la théorie, prédit que g devrait être égal à 2, exactement ce que les scientifiques avaient mesuré à l'époque.

Mais à mesure que les expériences sont devenues plus précises dans les années 1940, de nouvelles preuves sont apparues qui ont rouvert l'affaire et ont conduit à de nouvelles informations surprenantes sur le domaine quantique.

Un complot de particules

L'électron, il s'est avéré, avait un peu de magnétisme supplémentaire que l'équation de Dirac ne tenait pas compte. Ce magnétisme supplémentaire, mathématiquement exprimé comme "g-2" (ou le montant que g diffère de la prédiction de Dirac), est connu sous le nom de « moment magnétique anormal ». Pour un moment, les scientifiques ne savaient pas ce qui l'avait causé.

Si c'était un meurtre mystérieux, le moment magnétique anormal serait en quelque sorte comme une empreinte digitale supplémentaire de provenance inconnue sur un couteau utilisé pour poignarder une victime – un détail petit mais suspect qui mérite une enquête plus approfondie et pourrait dévoiler une toute nouvelle dimension de l'histoire.

Le physicien Julian Schwinger a expliqué l'anomalie en 1947 en théorisant que l'électron pouvait émettre puis réabsorber un "photon virtuel". L'interaction fugace augmenterait légèrement le magnétisme interne de l'électron d'un dixième de pour cent, le montant nécessaire pour aligner la valeur prédite sur les preuves expérimentales. Mais le photon n'est pas le seul complice.

Heures supplémentaires, les chercheurs ont découvert qu'il existait un vaste réseau de "particules virtuelles" entrant et sortant constamment du vide quantique. C'est ce qui perturbait le petit aimant tournant de l'électron.

Le moment magnétique anormal représente l'influence combinée simultanée de tous les effets possibles de ces conspirateurs quantiques éphémères sur l'électron. Certaines interactions sont plus susceptibles de se produire, ou sont plus fortement ressentis que d'autres, et ils apportent donc une contribution plus importante. Mais chaque particule et force du modèle standard y participe.

Les modèles théoriques qui décrivent ces interactions virtuelles ont assez bien réussi à décrire le magnétisme des électrons. Pour le g-2 de l'électron, les calculs théoriques sont maintenant en si bon accord avec la valeur expérimentale que c'est comme mesurer la circonférence de la Terre avec une précision inférieure à la largeur d'un seul cheveu humain.

Toutes les preuves indiquent des méfaits quantiques perpétrés par des particules connues causant des anomalies magnétiques. Affaire classée, droit?

Pas assez. Il est maintenant temps d'entendre la version muon de l'histoire.

Pas un cheveu à sa place - ou est-ce qu'il y en a ?

Les premières mesures du moment magnétique anormal du muon à l'université de Columbia dans les années 50 et au laboratoire de physique européen du CERN dans les années 60 et 70 concordaient bien avec les prédictions théoriques. L'incertitude de la mesure est passée de 2 % en 1961 à 0,0007 % en 1979. Il semblait que le même complot de particules qui affectait le g-2 de l'électron était également responsable du moment magnétique du muon.

Mais alors, en 2001, l'expérience Brookhaven Muon g-2 a révélé quelque chose d'étrange. L'expérience a été conçue pour augmenter la précision des mesures du CERN et examiner la contribution de la force faible à l'anomalie. Il a réussi à réduire les barres d'erreur à une demi-partie par million. Mais il a également montré un écart infime - moins de 3 parties par million - entre la nouvelle mesure et la valeur théorique. Cette fois, les théoriciens ne pouvaient pas trouver un moyen de recalculer leurs modèles pour l'expliquer. Rien dans le modèle standard ne pouvait expliquer la différence.

C'était l'équivalent mystérieux d'un seul cheveu trouvé sur une scène de crime avec de l'ADN qui ne semblait correspondre à aucune personne liée à l'affaire. La question était - et est toujours - de savoir si la présence des cheveux n'est qu'une coïncidence, ou s'il s'agit en fait d'un indice important.

Les physiciens réexaminent maintenant ce « cheveu » au Fermilab, avec le soutien du DOE Office of Science, la National Science Foundation et plusieurs agences internationales en Italie, la Grande-Bretagne, l'UE, Chine, Corée et Allemagne.

Dans la nouvelle expérience Muon g-2, un faisceau de muons - leurs spins pointant tous dans la même direction - sont projetés dans un type d'accélérateur appelé anneau de stockage. Le champ magnétique puissant de l'anneau maintient les muons sur une trajectoire circulaire bien définie. Si g était exactement 2, alors les spins des muons suivraient exactement leur élan. Mais, à cause du moment magnétique anormal, les muons ont une légère oscillation supplémentaire dans la rotation de leurs spins.

Lorsqu'un muon se désintègre en un électron et deux neutrinos, l'électron a tendance à jaillir dans la direction vers laquelle pointait le spin du muon. Les détecteurs à l'intérieur de l'anneau captent une partie des électrons projetés par les muons qui subissent l'oscillation. L'enregistrement du nombre et de l'énergie des électrons qu'ils détectent au fil du temps indiquera aux chercheurs de combien le spin du muon a tourné.

En utilisant le même aimant de l'expérience de Brookhaven avec une instrumentation nettement meilleure, plus un faisceau plus intense de muons produit par le complexe d'accélérateurs du Laboratoire Fermi, les chercheurs collectent 21 fois plus de données pour atteindre une précision quatre fois supérieure.

L'expérience peut confirmer l'existence de l'écart; il peut ne trouver aucune anomalie du tout, signaler un problème avec le résultat de Brookhaven; ou il peut trouver quelque chose entre les deux, laissant l'affaire non résolue.

À la recherche du monde souterrain quantique

Il y a des raisons de croire qu'il se passe quelque chose dont le modèle standard ne nous a pas parlé.

Le modèle standard est une explication remarquablement cohérente pour à peu près tout ce qui se passe dans le monde subatomique. Mais il y a encore un certain nombre de mystères non résolus en physique qu'il n'aborde pas.

Matière noire, par exemple, représente environ 27% de l'univers. Et encore, les scientifiques ne savent toujours pas de quoi il est fait. Aucune des particules connues ne semble faire l'affaire. Le modèle standard ne peut pas non plus expliquer la masse du boson de Higgs, ce qui est étonnamment petit. Si l'expérience Fermilab Muon g-2 détermine que quelque chose au-delà du modèle standard, par exemple une particule inconnue, perturbe de manière mesurable le moment magnétique du muon, cela peut orienter les chercheurs dans la bonne direction pour fermer un autre de ces dossiers ouverts.

Une divergence confirmée ne fournira pas réellement de détails au niveau de l'ADN sur la particule ou la force qui fait connaître sa présence, mais cela aidera à réduire les plages de masse et de force d'interaction dans lesquelles les futures expériences sont les plus susceptibles de trouver quelque chose de nouveau. Même si l'écart s'estompe, les données seront toujours utiles pour décider où chercher.

Il se peut qu'une figure quantique obscure qui se cache au-delà du modèle standard soit trop bien cachée pour que la technologie actuelle puisse la détecter. Mais si ce n'est pas le cas, les physiciens ne laisseront rien au hasard et aucun élément de preuve non analysé jusqu'à ce qu'ils résolvent l'affaire.

Cette histoire sur l'expérience Muon g-2 a été initialement publiée dans Symmetry.