Il existe une différence entre la valeur théorique du moment magnétique d'un muon, particule appartenant à la même classe que l'électron, et les valeurs obtenues lors d'expériences à haute énergie menées dans des accélérateurs de particules. La différence n'apparaît qu'à la huitième décimale, mais elle intrigue les scientifiques depuis sa découverte en 1948.

Ce n'est pas un détail :cela peut indiquer si le muon interagit avec des particules de matière noire ou d'autres bosons de Higgs ou même si des forces inconnues sont impliquées dans le processus.

La valeur théorique du moment magnétique du muon, représentée par la lettre g, est donnée par l'équation de Dirac — formulée par le physicien anglais et prix Nobel 1933 Paulo Dirac (1902-1984), l'un des fondateurs de la mécanique quantique et de l'électrodynamique quantique — comme 2. Cependant, des expériences ont montré que g n'est pas exactement 2, et il y a beaucoup d'intérêt à comprendre "g-2", c'est-à-dire la différence entre la valeur expérimentale et la valeur prédite par l'équation de Dirac.

La meilleure valeur expérimentale actuellement disponible, obtenue avec un degré de précision impressionnant au Fermi National Accelerator Laboratory aux États-Unis et annoncée en août 2023, est de 2,00116592059, avec une plage d'incertitude de plus ou moins 0,00000000022. Des informations sur l'expérience Muon G-2 menée au Fermilab sont disponibles à l'adresse suivante :muon-g-2.fnal.gov/ .

"La détermination précise du moment magnétique du muon est devenue une question clé en physique des particules, car l'étude de cet écart entre les données expérimentales et les prévisions théoriques peut fournir des informations qui pourraient conduire à la découverte d'un nouvel effet spectaculaire", a déclaré le physicien Diogo Boito, chercheur en physique. professeur à l'Institut de physique São Carlos de l'Université de São Paulo (IFSC-USP), a déclaré à l'Agência FAPESP.

Un article sur le sujet par Boito et ses collaborateurs est publié dans la revue Physical Review Letters. .

"Nos résultats ont été présentés lors de deux événements internationaux importants. D'abord par moi lors d'un atelier à Madrid, en Espagne, et plus tard par mon collègue Maarten Golterman de l'Université d'État de San Francisco lors d'une réunion à Berne, en Suisse", a déclaré Boito.

Ces résultats quantifient et indiquent l'origine d'une divergence entre les deux méthodes utilisées pour faire les prédictions actuelles du muon g-2.

"Il existe actuellement deux méthodes pour déterminer une composante fondamentale de g-2. La première est basée sur des données expérimentales et la seconde sur des simulations informatiques de la chromodynamique quantique, ou QCD, la théorie qui étudie les interactions fortes entre les quarks. Ces deux méthodes produisent Des résultats assez différents, ce qui constitue un problème majeur. Tant que ce problème n'est pas résolu, nous ne pouvons pas étudier les contributions d'éventuelles particules exotiques telles que les nouveaux bosons de Higgs ou la matière noire, par exemple, au g-2", a-t-il expliqué.

L'étude a réussi à expliquer l'écart, mais pour le comprendre, nous devons prendre quelques pas en arrière et recommencer avec une description un peu plus détaillée du muon.

Le muon est une particule qui appartient à la classe des leptons, tout comme l’électron, mais dont la masse est beaucoup plus importante. Pour cette raison, il est instable et ne survit que très peu de temps dans un contexte de haute énergie. Lorsque les muons interagissent les uns avec les autres en présence d'un champ magnétique, ils se désintègrent et se regroupent sous forme d'un nuage d'autres particules, telles que des électrons, des positrons, des bosons W et Z, des bosons de Higgs et des photons.

Dans les expériences, les muons sont donc toujours accompagnés de nombreuses autres particules virtuelles. Leurs contributions rendent le moment magnétique réel mesuré expérimentalement supérieur au moment magnétique théorique calculé par l'équation de Dirac, qui est égal à 2.

"Pour obtenir la différence [g-2], il est nécessaire de considérer toutes ces contributions, à la fois celles prédites par QCD [dans le modèle standard de la physique des particules] et d'autres qui sont plus petites mais apparaissent dans des mesures expérimentales de haute précision. Nous connaissons plusieurs très bien de ces contributions, mais pas toutes", a déclaré Boito.

Les effets de l’interaction forte QCD ne peuvent pas être calculés théoriquement seuls, car dans certains régimes énergétiques, ils sont impraticables, il existe donc deux possibilités. L'une est utilisée depuis un certain temps et consiste à recourir aux données expérimentales obtenues à partir de collisions électron-positon, qui créent d'autres particules constituées de quarks. L'autre est la CDQ sur réseau, qui n'est devenue compétitive qu'au cours de la décennie en cours et implique la simulation du processus théorique dans un superordinateur.

"Le principal problème avec la prévision du muon g-2 à l'heure actuelle est que le résultat obtenu à l'aide des données de collisions électron-positon n'est pas en accord avec le résultat expérimental total, alors que les résultats basés sur la QCD sur réseau le sont. Personne ne savait vraiment pourquoi, et notre étude clarifie une partie de ce puzzle", a déclaré Boito.

Lui et ses collègues ont mené leurs recherches précisément pour résoudre ce problème. "L'article rapporte les résultats d'un certain nombre d'études dans lesquelles nous avons développé une nouvelle méthode pour comparer les résultats des simulations QCD sur réseau avec les résultats basés sur des données expérimentales. Nous montrons qu'il est possible d'extraire des données les contributions calculées dans le réseau avec une grande précision - les contributions des soi-disant diagrammes de Feynman connectés", a-t-il déclaré.

Le physicien théoricien américain Richard Feynman (1918-1988) a remporté le prix Nobel de physique en 1965 (avec Julian Schwinger et Shin'ichiro Tomonaga) pour ses travaux fondamentaux en électrodynamique quantique et en physique des particules élémentaires. Les diagrammes de Feynman, créés en 1948, sont des représentations graphiques des expressions mathématiques qui décrivent l'interaction de telles particules et sont utilisées pour simplifier les calculs respectifs.

"Dans l'étude, nous avons obtenu pour la première fois les contributions des diagrammes de Feynman connectés dans ce que l'on appelle la "fenêtre d'énergie intermédiaire" avec une grande précision. Aujourd'hui, nous disposons de huit résultats pour ces contributions, obtenus au moyen de simulations QCD sur réseau, et tous concordent dans une large mesure. De plus, nous montrons que les résultats basés sur les données d'interaction électron-positon ne concordent pas avec ces huit résultats de simulations", a déclaré Boito.

Cela a permis aux chercheurs de localiser la source du problème et de réfléchir à des solutions possibles. "Il est devenu clair que si les données expérimentales du canal à deux pions sont sous-estimées pour une raison quelconque, cela pourrait être la cause de l'écart", a-t-il déclaré. Les pions sont des mésons :des particules constituées d'un quark et d'un antiquark produits lors de collisions à haute énergie.

En fait, de nouvelles données (encore en cours d'examen par les pairs) de l'expérience CMD-3 menée à l'Université d'État de Novossibirsk en Russie semblent montrer que les données les plus anciennes du canal à deux pions peuvent avoir été sous-estimées pour une raison quelconque.