Il y a sept ans, un énorme aimant a été transporté sur 3, 200 milles (5, 150 km) à travers terre et mer, dans l'espoir d'étudier une particule subatomique appelée muon.

Les muons sont étroitement liés aux électrons, qui orbitent autour de chaque atome et forment les éléments constitutifs de la matière. L'électron et le muon ont tous deux des propriétés prédites avec précision par notre meilleure théorie scientifique actuelle décrivant la subatomique, monde quantique, le modèle standard de la physique des particules.

Toute une génération de scientifiques s'est consacrée à mesurer ces propriétés dans les moindres détails. En 2001, une expérience a laissé entendre qu'une propriété du muon n'était pas exactement comme le prédit le modèle standard, mais de nouvelles études étaient nécessaires pour confirmer. Les physiciens ont déplacé une partie de l'expérience vers un nouvel accélérateur, au Laboratoire Fermi, et a commencé à prendre plus de données.

Une nouvelle mesure vient de confirmer le résultat initial. Cela signifie que de nouvelles particules ou forces peuvent exister qui ne sont pas prises en compte dans le modèle standard. Si c'est le cas, les lois de la physique devront être révisées et personne ne sait où cela peut mener.

Ce dernier résultat est issu d'une collaboration internationale, dont nous faisons tous les deux partie. Notre équipe utilise des accélérateurs de particules pour mesurer une propriété appelée le moment magnétique du muon.

Chaque muon se comporte comme un minuscule barreau aimanté lorsqu'il est exposé à un champ magnétique, un effet appelé le moment magnétique. Les muons ont également une propriété intrinsèque appelée "spin, " et la relation entre le spin et le moment magnétique du muon est connue sous le nom de facteur g. Le "g" de l'électron et du muon est supposé être deux, donc g moins deux (g-2) doit être mesuré à zéro. C'est ce que nous testons au Fermilab.

Pour ces tests, les scientifiques ont utilisé des accélérateurs, le même type de technologie que le Cern utilise au LHC. L'accélérateur Fermilab produit des muons en très grande quantité et mesure, très précisément, comment ils interagissent avec un champ magnétique.

Le comportement du muon est influencé par des "particules virtuelles" qui apparaissent et disparaissent du vide. Ceux-ci existent de façon éphémère, mais assez longtemps pour affecter la façon dont le muon interagit avec le champ magnétique et modifier le moment magnétique mesuré, quoique d'une infime quantité.

Le modèle standard prédit très précisément, à mieux qu'une partie sur un million, quel est cet effet. Tant que nous savons quelles particules bouillonnent dans et hors du vide, l'expérience et la théorie doivent correspondre. Mais, si l'expérience et la théorie ne correspondent pas, notre compréhension de la soupe de particules virtuelles peut être incomplète.

De nouvelles particules

La possibilité que de nouvelles particules existent n'est pas une vaine spéculation. De telles particules pourraient aider à expliquer plusieurs des gros problèmes de la physique. Pourquoi, par exemple, l'univers a-t-il autant de matière noire, provoquant une rotation des galaxies plus rapide que prévu, et pourquoi presque toute l'antimatière créée lors du Big Bang a-t-elle disparu ?

Le problème à ce jour a été que personne n'a vu aucune de ces nouvelles particules proposées. On espérait que le LHC du Cern les produirait lors de collisions entre des protons de haute énergie, mais ils n'ont pas encore été observés.

La nouvelle mesure a utilisé la même technique qu'une expérience au "Brookhaven National Laboratory à New York, au début du siècle, qui elle-même fait suite à une série de mesures au Cern.

L'expérience de Brookhaven a mesuré un écart avec le modèle standard qui en avait un sur 5, 000 chances d'être un hasard statistique. C'est à peu près la même probabilité que de lancer une pièce 12 fois de suite, tous tête haute.

C'était alléchant, mais bien en dessous du seuil de découverte, qui doit généralement être meilleur qu'un sur 1,7 million, soit 21 lancers de pièces d'affilée. Pour déterminer si une nouvelle physique était en jeu, les scientifiques devraient multiplier par quatre la sensibilité de l'expérience.

Pour effectuer la mesure améliorée, l'aimant au cœur de l'expérience a dû être déplacé en 2013 3, 200 miles de Long Island le long de la mer et de la route, au Laboratoire Fermi, en dehors de Chicago, dont les accélérateurs pourraient produire une abondante source de muons.

Une fois en place, une nouvelle expérience a été construite autour de l'aimant avec des détecteurs et des équipements de pointe. L'expérience muon g-2 a commencé à prendre des données en 2017, avec une collaboration de vétérans de l'expérience de Brookhaven et d'une nouvelle génération de physiciens.

Les nouveaux résultats, dès la première année de données au Fermilab, sont conformes à la mesure de l'expérience de Brookhaven. La combinaison des résultats renforce le cas d'un désaccord entre la mesure expérimentale et le modèle standard. Les chances se situent maintenant à environ une sur 40, 000 de l'écart étant un coup de chance, toujours en deçà du seuil de découverte de l'étalon-or.

Le LHC

Curieusement, une observation récente de l'expérience LHCb au Cern a également révélé des écarts possibles par rapport au modèle standard. Ce qui est passionnant, c'est que cela fait également référence aux propriétés des muons. Cette fois, c'est une différence dans la façon dont les muons et les électrons sont produits à partir de particules plus lourdes. Les deux taux devraient être les mêmes dans le modèle standard, mais la mesure expérimentale les a trouvés différents.

Pris ensemble, les résultats du LHCb et du Fermilab renforcent le fait que nous avons observé la première preuve de l'échec de la prédiction du modèle standard, et qu'il y a de nouvelles particules ou forces dans la nature à découvrir.

Pour la confirmation ultime, cela nécessite davantage de données à la fois de l'expérience sur les muons du Fermilab et de l'expérience LHCb du Cern. Les résultats seront connus dans les prochaines années. Le Fermilab dispose déjà de quatre fois plus de données que ce qui a été utilisé dans ce résultat récent, en cours d'analyse, Le Cern a commencé à collecter davantage de données et une nouvelle génération d'expériences sur les muons est en cours de construction. C'est une époque passionnante pour la physique.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.