Une nouvelle estimation de la force du champ magnétique autour du muon, une particule subatomique similaire à, mais plus lourd que, un électron - comble le fossé entre la théorie et les mesures expérimentales, l'alignant sur le modèle standard qui a guidé la physique des particules pendant des décennies.

Un article décrivant les recherches d'une équipe internationale de scientifiques paraît le 8 avril 2021 dans la revue La nature .

Il y a vingt ans, dans une expérience au Brookhaven National Laboratory, les physiciens ont détecté ce qui semblait être un écart entre les mesures du "moment magnétique" du muon - la force de son champ magnétique - et les calculs théoriques de ce que cette mesure devrait être, soulevant la possibilité alléchante de particules ou de forces physiques encore inconnues. La nouvelle découverte réduit cet écart, suggérant que le magnétisme du muon n'est probablement pas mystérieux du tout. Pour arriver à ce résultat, au lieu de s'appuyer sur des données expérimentales, les chercheurs ont simulé tous les aspects de leurs calculs à partir de zéro, une tâche nécessitant une puissance de supercalculateur massive.

« La plupart des phénomènes de la nature peuvent être expliqués par ce que nous appelons le « modèle standard » de la physique des particules, " dit Zoltan Fodor, professeur de physique à Penn State et chef de l'équipe de recherche. "Nous pouvons prédire les propriétés des particules de manière extrêmement précise sur la base de cette seule théorie, alors quand la théorie et l'expérience ne correspondent pas, nous pouvons nous réjouir d'avoir trouvé quelque chose de nouveau, quelque chose au-delà du modèle standard."

Pour une découverte d'une nouvelle physique au-delà du modèle standard, il existe un consensus parmi les physiciens que le désaccord entre la théorie et la mesure doit atteindre cinq sigma, une mesure statistique qui équivaut à une probabilité d'environ 1 sur 3,5 millions.

Dans le cas du muon, les mesures de son champ magnétique s'écartaient des prédictions théoriques existantes d'environ 3,7 sigma. Intrigant, mais pas assez pour déclarer la découverte d'une nouvelle rupture dans les règles de la physique. Donc, les chercheurs ont entrepris d'améliorer à la fois les mesures et la théorie dans l'espoir de réconcilier la théorie et la mesure ou d'augmenter le sigma à un niveau qui permettrait la déclaration d'une découverte d'une nouvelle physique.

"La théorie existante pour estimer la force du champ magnétique du muon reposait sur des mesures expérimentales d'annihilation électron-positon, " dit Fodor. " Afin d'avoir une autre approche, nous avons utilisé une théorie entièrement vérifiée qui était complètement indépendante de la dépendance à des mesures expérimentales. Nous avons commencé avec des équations assez basiques et avons construit l'ensemble de l'estimation à partir de zéro."

Les nouveaux calculs ont nécessité des centaines de millions d'heures CPU dans plusieurs centres de supercalculateurs en Europe et ramènent la théorie à la mesure. Cependant, l'histoire n'est pas encore terminée. Nouveau, des mesures expérimentales plus précises du moment magnétique du muon sont attendues prochainement.

"Si nos calculs sont corrects et que les nouvelles mesures ne changent pas l'histoire, il semble que nous n'ayons pas besoin d'une nouvelle physique pour expliquer le moment magnétique du muon - il suit les règles du modèle standard, " dit Fodor. " Bien que, la perspective d'une nouvelle physique est toujours alléchante, c'est aussi passionnant de voir la théorie et l'expérimentation s'aligner. Cela démontre la profondeur de notre compréhension et ouvre de nouvelles opportunités d'exploration. »

L'excitation est loin d'être terminée.

"Notre résultat doit être recoupé par d'autres groupes et nous les anticipons, " dit Fodor. " De plus, notre conclusion signifie qu'il existe une tension entre les résultats théoriques précédents et les nouveaux. Cet écart doit être compris. En outre, les nouveaux résultats expérimentaux pourraient être proches des anciens ou plus proches des calculs théoriques précédents. Nous avons de nombreuses années d'excitation devant nous."