La nouvelle que les muons ont un peu plus de mouvement dans leur démarche a fait parler le monde ce printemps.

L'expérience Muon g-2 hébergée au Fermi National Accelerator Laboratory a annoncé le 7 avril avoir mesuré une particule appelée muon se comportant légèrement différemment de ce qui était prévu dans leur accélérateur géant. C'était la première nouvelle inattendue en physique des particules depuis des années.

Tout le monde est excité, mais peu plus que les scientifiques dont le travail consiste à cracher des théories sur la façon dont l'univers est constitué. Pour ces théoriciens, l'annonce les fait dépoussiérer les vieilles théories et spéculer sur de nouvelles.

"Pour beaucoup d'entre nous, ça ressemble et ça sent la nouvelle physique, ", a déclaré le professeur Dan Hooper. "Il se peut qu'un jour, nous regardions en arrière et que ce résultat soit considéré comme un héraut."

Gordan Krnjaic, un collègue physicien théoricien, d'accord:"C'est le moment idéal pour être un spéculateur."

Les deux scientifiques sont affiliés à l'Université de Chicago et au Fermilab; ni l'un ni l'autre n'a travaillé directement sur l'expérience Muon g-2, mais les deux ont été ravis par les résultats. Pour eux, ces découvertes pourraient être un indice qui ouvre la voie pour percer les derniers mystères de la physique des particules - et avec elle, notre compréhension de l'univers dans son ensemble.

Établir la norme

Le problème était que tout se passait comme prévu.

Basé sur des expériences et des théories centenaires remontant à l'époque des premières recherches d'Albert Einstein, les scientifiques ont esquissé une théorie sur la façon dont l'univers, de ses plus petites particules à ses plus grandes forces, est constitué. Cette explication, appelé le modèle standard, fait un assez bon travail pour relier les points. Mais il y a quelques trous - des choses que nous avons vues dans l'univers qui ne sont pas prises en compte dans le modèle, comme la matière noire.

Aucun problème, pensaient les scientifiques. Ils ont construit de plus grandes expériences, comme le Grand collisionneur de hadrons en Europe, étudier les propriétés les plus fondamentales des particules, sûr que cela donnerait des indices. Mais alors même qu'ils regardaient plus profondément, rien de ce qu'ils ont trouvé ne semblait en décalage avec le modèle standard. Sans nouvelles pistes d'investigation, les scientifiques ne savaient pas où et comment chercher des explications aux écarts comme la matière noire.

Puis, finalement, les résultats de l'expérience Muon g-2 sont venus du Fermilab (qui est affilié à l'Université de Chicago). L'expérience a rapporté une petite différence entre la façon dont les muons devraient se comporter selon le modèle standard, et ce qu'ils faisaient réellement à l'intérieur de l'accélérateur géant.

Des murmures ont éclaté dans le monde entier, et les esprits de Hooper, Krnjaic et leurs collègues en physique théorique ont commencé à courir. Presque toute explication d'une nouvelle ride en physique des particules aurait de profondes implications pour l'histoire de l'univers.

C'est parce que les plus petites particules affectent les plus grandes forces de l'univers. Les différences infimes dans les masses de chaque particule affectent la façon dont l'univers s'est étendu et évolué après le Big Bang. À son tour, cela affecte tout, de la façon dont les galaxies sont maintenues ensemble jusqu'à la nature de la matière elle-même. C'est pourquoi les scientifiques veulent mesurer avec précision comment le papillon battait des ailes.

Les suspects probables

Jusque là, il y a trois principales explications possibles pour les résultats de Muon g-2 - s'il s'agit bien d'une nouvelle physique et non d'une erreur.

L'une est une théorie connue sous le nom de "supersymétrie, " qui était très à la mode au début des années 2000, dit Hooper. La supersymétrie suggère que chaque particule subatomique a une particule partenaire. C'est attrayant pour les physiciens parce que c'est une théorie globale qui explique plusieurs divergences, y compris la matière noire; mais le Grand collisionneur de hadrons n'a vu aucune preuve de ces particules supplémentaires. Encore.

Une autre possibilité est que certains non découverts, une forme de matière relativement lourde interagit fortement avec les muons.

Finalement, il pourrait également exister d'autres types de particules lumineuses exotiques, pas encore découvert, qui interagissent faiblement avec les muons et provoquent l'oscillation. Krnjaic et Hooper ont écrit un article expliquant ce qu'est une telle particule légère, qu'ils appelaient "Z premier, " pourrait signifier pour l'univers.

"Ces particules auraient dû exister depuis le Big Bang, et cela signifierait d'autres implications - par exemple, ils pourraient avoir un impact sur la vitesse à laquelle l'univers s'étendait dans ses premiers instants, " a déclaré Krnjaic.

Cela pourrait concorder avec un autre mystère auquel les scientifiques réfléchissent, appelée constante de Hubble. Ce nombre est censé indiquer à quelle vitesse l'univers s'étend, mais il varie légèrement selon la façon dont vous le mesurez - un écart qui pourrait indiquer une pièce manquante à notre connaissance.

Il y en a d'autres, des possibilités plus éloignées, comme le fait que les muons sont heurtés par des particules entrant et sortant d'autres dimensions. ("Une chose dont les physiciens des particules sont rarement accusés est un manque de créativité, " dit Hooper.)

Mais les scientifiques ont dit qu'il est important de ne pas rejeter les théories du revers de la main, peu importe à quel point ils peuvent sembler sauvages.

"Nous ne voulons pas négliger quelque chose juste parce que ça sonnait bizarre, " a déclaré Hooper. "Nous essayons constamment de secouer les arbres pour avoir toutes les idées possibles. Nous voulons traquer cela partout où il pourrait se cacher."

Étapes Sigma

Le premier pas, cependant, est de confirmer que le résultat Muon g-2 est vrai. Les scientifiques disposent d'un système pour dire si les résultats d'une expérience sont réels et pas seulement une erreur dans les données. Le résultat annoncé en avril atteint 4,2 sigma; la référence qui signifie que c'est presque certainement vrai est 5 sigma.

"Si c'est vraiment une nouvelle physique, nous serons beaucoup plus près de savoir dans un an ou deux, " a déclaré Hooper. L'expérience Muon g-2 a beaucoup plus de données à passer au crible. Pendant ce temps, les résultats de certains calculs théoriques très compliqués - si complexes que même les supercalculateurs les plus puissants du monde doivent les ronger pendant des mois, voire des années - devraient tomber en panne.

Ces résultats, s'ils atteignent un niveau de confiance de 5 sigma, indiquera aux scientifiques où aller ensuite. Par exemple, Krnjaic a aidé à proposer un programme Fermilab appelé M3 qui pourrait réduire les possibilités en tirant un faisceau de muons sur une cible métallique, mesurant l'énergie avant et après l'impact des muons. Ces résultats pourraient indiquer la présence d'une nouvelle particule.

Pendant ce temps, à la frontière franco-suisse, le Large Hadron Collider devrait passer à une luminosité plus élevée qui produira plus de collisions. De nouvelles preuves de particules ou d'autres phénomènes pourraient apparaître dans leurs données.

Toute cette excitation au sujet d'une oscillation peut sembler être une réaction excessive. Mais de minuscules écarts peuvent, et ont, conduit à des bouleversements massifs. Dans les années 1850, les astronomes mesurant l'orbite de Mercure ont remarqué qu'elle s'écartait un peu de ce que la théorie de la gravité de Newton prédirait. « Cette anomalie, avec d'autres preuves, nous a finalement conduit à la théorie de la relativité générale, " dit Hooper.

"Personne ne savait de quoi il s'agissait, mais cela a amené les gens à réfléchir et à expérimenter. J'espère qu'un jour nous regarderons ce résultat muon de la même manière."