Les scientifiques testent notre compréhension fondamentale de l'univers, et il y a beaucoup plus à découvrir.

Que font les écrans tactiles, la radiothérapie et le film rétractable ont-ils en commun ? Ils ont tous été rendus possibles par la recherche en physique des particules. Les découvertes du fonctionnement de l'univers à la plus petite échelle conduisent souvent à d'énormes progrès technologiques que nous utilisons tous les jours.

Des scientifiques de l'Argonne National Laboratory et du Fermi National Accelerator Laboratory du département américain de l'Énergie (DOE), avec des collaborateurs de 46 autres institutions et de sept pays, mènent une expérience pour mettre à l'épreuve notre compréhension actuelle de l'univers. Le premier résultat indique l'existence de particules ou de forces non découvertes. Cette nouvelle physique pourrait aider à expliquer des mystères scientifiques de longue date, et la nouvelle idée s'ajoute à une réserve d'informations que les scientifiques peuvent exploiter lors de la modélisation de notre univers et du développement de nouvelles technologies.

L'expérience, Muon g-2 (prononcé Muon g moins 2), suit celui qui a commencé dans les années 90 au laboratoire national de Brookhaven du DOE, dans lequel les scientifiques ont mesuré une propriété magnétique d'une particule fondamentale appelée le muon.

L'expérience de Brookhaven a donné un résultat différent de la valeur prédite par le modèle standard, meilleure description scientifique de la composition et du comportement de l'univers à ce jour. La nouvelle expérience est une reconstitution de celle de Brookhaven, construit pour contester ou affirmer l'écart avec une plus grande précision.

Le modèle standard prédit très précisément le facteur g du muon, une valeur qui indique aux scientifiques comment cette particule se comporte dans un champ magnétique. Ce facteur g est connu pour être proche de la valeur deux, et les expériences mesurent leur écart par rapport à deux, d'où le nom Muon g-2.

L'expérience à Brookhaven a indiqué que g-2 différait de la prédiction théorique de quelques parties par million. Cette différence infime laisse entrevoir l'existence d'interactions inconnues entre le muon et le champ magnétique, interactions qui pourraient impliquer de nouvelles particules ou forces.

Le premier résultat de la nouvelle expérience est fortement en accord avec celui de Brookhaven, renforcer la preuve qu'il y a une nouvelle physique à découvrir. Les résultats combinés du Fermilab et de Brookhaven montrent une différence par rapport au modèle standard avec une signification de 4,2 sigma (ou écarts-types), un peu moins que les 5 sigma dont les scientifiques ont besoin pour revendiquer une découverte, mais toujours des preuves convaincantes d'une nouvelle physique. La probabilité que les résultats soient une fluctuation statistique est d'environ 1 sur 40, 000.

Des particules au-delà du modèle standard pourraient aider à expliquer des phénomènes déroutants en physique, comme la nature de la matière noire, une substance mystérieuse et omniprésente dont les physiciens savent qu'il existe mais qu'ils n'ont pas encore détecté.

"C'est un résultat incroyablement excitant, " dit Ran Hong d'Argonne, un postdoctorant qui a travaillé sur l'expérience Muon g-2 pendant plus de quatre ans. "Ces découvertes pourraient avoir des implications majeures pour les futures expériences de physique des particules et pourraient conduire à une meilleure compréhension du fonctionnement de l'univers."

L'équipe de scientifiques d'Argonne a largement contribué au succès de l'expérience. L'équipe d'origine, assemblé et dirigé par le physicien Peter Winter, inclus Hong d'Argonne et Simon Corrodi, ainsi que Suvarna Ramachandran et Joe Grange, qui ont depuis quitté l'Argonne.

"Cette équipe possède un ensemble de compétences impressionnant et unique avec une grande expertise en matière de matériel, planification opérationnelle et analyse des données, " dit l'hiver, qui dirige les contributions Muon g-2 d'Argonne. "Ils ont apporté des contributions vitales à l'expérience, et nous n'aurions pas pu obtenir ces résultats sans leur travail."

Pour dériver le vrai g-2 du muon, les scientifiques du Fermilab produisent des faisceaux de muons qui se déplacent en cercle à travers un grand anneau creux en présence d'un fort champ magnétique. Ce champ maintient les muons dans l'anneau et fait tourner la direction de la rotation d'un muon. La rotation, que les scientifiques appellent précession, est similaire à la rotation de l'axe de la terre, seulement beaucoup, Plus vite.

Pour calculer g-2 avec la précision souhaitée, les scientifiques doivent mesurer deux valeurs avec une très grande certitude. L'un est le taux de précession de spin du muon lorsqu'il traverse l'anneau. L'autre est la force du champ magnétique entourant le muon, qui influence sa précession. C'est là qu'Argonne entre en jeu.

Excursion

Bien que les muons traversent un champ magnétique étonnamment constant, les changements de température ambiante et les effets du matériel de l'expérience provoquent de légères variations dans tout l'anneau. Même ces petits changements dans l'intensité du champ, s'il n'est pas comptabilisé, peut avoir un impact significatif sur la précision du calcul de g-2.

Afin de corriger les variations de champ, les scientifiques mesurent en permanence le champ dérivant à l'aide de centaines de sondes montées sur les parois de l'anneau. En outre, ils envoient un chariot autour de l'anneau tous les trois jours pour mesurer l'intensité du champ où le faisceau de muons passe réellement. Montées sur le chariot, des sondes cartographient le champ magnétique avec une précision incroyablement élevée sur toute la circonférence de l'anneau de 45 mètres.

Pour atteindre l'objectif d'incertitude ultime de moins de 70 parties par milliard (environ 2,5 fois mieux que la mesure de terrain dans l'expérience précédente), Les scientifiques d'Argonne ont remis à neuf le système de chariot utilisé dans l'expérience de Brookhaven avec des capacités de communication avancées et de nouveaux, sondes de champ magnétique ultraprécises développées par l'Université de Washington.

Le chariot fait le tour du ring dans les deux sens, prenant environ 9, 000 mesures par sonde et direction. Les scientifiques utilisent les mesures pour reconstruire des tranches du champ magnétique, puis en dérivent un Carte 3D du terrain dans le ring. Les valeurs de champ aux points sur la carte entrent dans le calcul g-2 pour les muons passant par ces emplacements. Meilleures sont les mesures sur le terrain, plus le résultat final est significatif.

Les scientifiques ont également converti certains des signaux analogiques utilisés dans l'ancienne expérience en signaux numériques pour augmenter la quantité de données qu'ils pouvaient obtenir des sondes. Cela nécessitait une ingénierie complexe du système de communication du chariot pour minimiser les perturbations des mécanismes de sondage sensibles.

« Il était assez difficile de faire fonctionner le chariot en douceur et en toute sécurité. Cela nécessitait que le système de contrôle gère les opérations de routine mais également identifie les urgences et réagisse de manière appropriée, " dit Hong, dont l'expérience à la fois dans la recherche scientifique et l'ingénierie a été cruciale pour la conception du chariot afin qu'il fonctionne avec une perturbation limitée de l'expérience.

L'équipe prévoit de mettre à niveau le système de chariot pour la prochaine période de prise de données afin d'améliorer encore les mesures en réduisant l'incertitude petit à petit.

Réglage fin

Dans des expériences de précision comme Muon g-2, l'objectif principal est de réduire toute incertitude ou erreur systématique qui pourrait affecter les mesures.

« Mesurer les chiffres bruts est relativement facile – déterminer à quel point nous connaissons les chiffres est le véritable défi, " dit Corrodi, un post-doctorant dans la division Physique des Hautes Energies (HEP) d'Argonne.

Pour garantir la précision des mesures du champ magnétique, les scientifiques ont calibré les sondes à l'aide de l'installation de solénoïde 4-Tesla d'Argonne, qui abrite un aimant d'un ancien scanner d'imagerie par résonance magnétique (IRM). L'aimant produit un champ magnétique uniforme et stable avec plus de 400 fois la force d'un aimant de réfrigérateur.

Les scientifiques d'Argonne ont calibré les sondes du chariot par rapport aux lectures d'une sonde conçue et testée à l'intérieur de l'aimant du solénoïde. Ce processus garantit que les sondes lisent chacune la même mesure lorsqu'elles sont dans le même champ magnétique et permet aux scientifiques d'effectuer des corrections précises. L'installation d'essai a permis aux scientifiques de réaliser des mesures sur le terrain jusqu'à plusieurs parties par milliard, comme mesurer le volume d'eau dans une piscine jusqu'à la goutte.

"En plus de calibrer les sondes, nous avons amélioré les mesures de terrain en ajustant les paramètres de fonctionnement à la volée, " dit Corrodi, « Lors de l'analyse des données, nous avons trouvé des effets auxquels nous ne nous attendions pas."

Lorsque Corrodi et son équipe ont vu des problèmes dans les données, ils ont enquêté sur le système pour identifier la cause. Par exemple, certains dispositifs de l'anneau focalisent le faisceau de muons pour le maintenir centré. Ces appareils, cependant, perturber légèrement le champ magnétique dans l'anneau. Les scientifiques ont conçu un moyen de mesurer cet effet afin de le retirer de l'analyse.

Mettre tous ensemble

Le trajet des données de champ magnétique de la sonde à l'ordinateur est complexe. Corrodi, Hong et d'autres ont configuré le matériel et le logiciel pour lire les données des sondes de terrain avec l'heure et l'emplacement corrects. Ils devaient également donner un sens aux données, qui commencent en code binaire, afin de les intégrer au cadre d'analyse commun de l'expérimentation.

"Nous avons dû convertir les données brutes en quelque chose avec lequel nous pourrions travailler, " dit Hong, "et nous étions en charge du contrôle de la qualité des données, déterminer les données erronées à rejeter dans l'analyse ultime du g-2. »

Corrodi dirigera l'équipe d'analyse du champ magnétique, résoudre les conflits avec les équipements et faire converger les différentes équipes de l'expérimentation vers le résultat suivant, dit Winter. « Vous devez vraiment comprendre l'ensemble de l'analyse de terrain pour atteindre nos objectifs scientifiques. »

L'avenir des expériences sur les muons

La première chose que les scientifiques prévoient de faire est de revérifier les résultats.

"Jusque là, la précision de la mesure ultime de g-2 est comparable à celle de l'expérience de Brookhaven, mais cela est dominé par le fait que les données sont limitées jusqu'à présent, " a déclaré Corrodi. "Nous n'avons analysé que 6% des données que nous prévoyons de reprendre l'ensemble de l'expérience. Ces données supplémentaires réduiront considérablement l'incertitude."

Le premier résultat est également encourageant pour les scientifiques menant d'autres expériences actuelles et prévues sur les muons, dont une future expérience g-2 qui sera menée au Japon, et la prochaine expérience sur les muons au Laboratoire Fermi, l'expérience Mu2e. Ces projets utilisent déjà l'installation solénoïde d'Argonne pour étalonner leurs sondes de champ magnétique avec celles utilisées au Laboratoire Fermi.

"Il pourrait y avoir un effort renouvelé pour rechercher des muons dans le Grand collisionneur de hadrons, la recherche d'indices possibles de la nouvelle physique derrière la valeur g-2, " a déclaré Carlos Wagner, un physicien théoricien à la HEP d'Argonne, qui s'efforce d'expliquer ces phénomènes. "Il pourrait également y avoir un regain d'intérêt pour la construction d'un collisionneur de muons, qui pourrait fournir un moyen direct de vérifier cette nouvelle physique."

Une fois que les scientifiques auront maîtrisé cette nouvelle physique, il peut être en mesure d'informer des modèles cosmologiques et de mécanique quantique, ou même aider les scientifiques à inventer de nouvelles technologies plus tard - le prochain film rétractable, peut-être.

La collaboration a publié un article sur le résultat en Lettres d'examen physique , intitulé "Mesure du moment magnétique anormal du muon positif à 0,46 ppm." Un article sur la mesure du champ magnétique a également été publié dans Examen physique A , intitulé "Mesure et analyse du champ magnétique pour l'expérience Muon g-2 au Laboratoire Fermi."