Cette histoire a été initialement publiée dans notre numéro de janvier/février 2022. Cliquez ici pour vous abonner pour lire plus d’histoires comme celle-ci.
Être seul dans le cosmos n’existe pas. Les physiciens savent depuis des décennies que les particules et les antiparticules apparaissent et disparaissent tout le temps, dont certaines sont connues et dont beaucoup restent probablement inconnues. Les physiciens recherchent des signes de nouvelles particules au-delà du modèle standard – la théorie qui décrit comment les particules élémentaires et les forces fondamentales interagissent – pour pousser la physique dans de nouveaux domaines.
En avril, une collaboration internationale de plus de 200 scientifiques, basée au Fermilab National Accelerator Laboratory à Batavia, Illinois, a rapporté des découvertes qui pourraient ouvrir la porte à une physique qui transcende le modèle standard. L’expérience était centrée sur les muons, qui sont des particules subatomiques à courte durée de vie positivement ou négativement chargées avec environ 200 fois plus de masse que les électrons. Comme les électrons, les muons génèrent leurs propres petits champs magnétiques. Les scientifiques peuvent mesurer le « moment magnétique » de la particule, qui décrit la force et la direction de ce champ.
Fissure dans le mur
À partir de 2018, les scientifiques ont commencé à projeter des muons autour de l’aimant en forme de beignet du Fermilab, qui mesure 15 mètres de diamètre, à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. (Chaque muon a fait le tour du beignet quelques centaines de fois en moyenne avant de se désintégrer.) Sur la base des calculs du moment magnétique de ce premier passage, les scientifiques ont observé que les muons vacillaient – ou précédaient – beaucoup plus que la théorie ne le prédit. Si le modèle standard est correct, alors l’oscillation des moments magnétiques des muons dans les expériences aurait dû correspondre exactement à ce que les calculs théoriques avaient prédit.
Mais ils ne l’ont pas fait, ont découvert les scientifiques de la collaboration Muon g-2. (La lettre g signifie “facteur g”, et il décrit comment l’aimant à muons en rotation réagirait à un champ magnétique externe.) Si les muons se comportaient comme prévu, alors g serait égal à 2, et g moins 2 serait égal à 0. Mais les expériences du Laboratoire Fermi ont montré que g était un peu plus de 10 millionièmes supérieur à 2, suffisamment pour que de nombreux physiciens voient cet écart comme une fissure dans la paroi du modèle standard.
“Il n’y a que trois façons d’expliquer cela”, explique Chris Polly, physicien du Fermilab, qui fait partie du groupe. “Soit il y a quelque chose qui ne va pas avec l’expérience, quelque chose ne va pas avec le modèle standard, soit nous nous rapprochons d’un signal de nouvelle physique.”
L’expérience elle-même n’est probablement pas la coupable. Les physiciens mesurent le moment magnétique des muons depuis les premières expériences au CERN, en Suisse, dans les années 1950. Mais en 2001, des expériences d’une mesure ultra-précise au Brookhaven National Laboratory, à Upton, New York, ont révélé l’écart avec les calculs théoriques. La nouvelle expérience au Fermilab, utilisant la même configuration que Brookhaven mais avec des détecteurs mis à jour et deux décennies d’informations sur les muons, a vérifié les résultats de Brookhaven avec une précision nouvelle et sans précédent.
“Le fait que nous ayons pu obtenir essentiellement le même nombre a vraiment aidé à étayer la preuve qu’il ne s’agit pas d’une anomalie expérimentale ou d’un coup de chance statistique”, explique Polly.
Nouvelles particules, nouveaux papiers
Un flot d’articles récents, dont beaucoup ont été publiés sur le serveur de préimpression arXiv, décrivent des idées sur la façon de sonder des particules inconnues qui pourraient renverser les muons. Certains théoriciens se sont tournés vers des modèles de supersymétrie, qui postulent l’existence de tout un zoo de particules non découvertes, pour suggérer que des particules hypothétiques portant des noms comme charginos et sleptons jouent un certain rôle. De nombreuses idées visent à lier l’écart g-2 à l’influence de la matière noire, la substance mystérieuse et indétectable qui pourrait constituer un quart de la matière de l’univers.
“Ils veulent assembler toutes ces pièces en une image fondamentale de l’univers”, explique Polly.
Il ne fait aucun doute que le modèle standard est incomplet et quelque peu rapiécé, dit-il, mais il connaît également un succès fou dans sa description de la nature. Cependant, tout le monde n’est pas d’accord pour dire que les résultats du Fermilab pointent vers une nouvelle physique. Bien que les résultats expérimentaux soient clairs – et deviendront probablement plus précis dans les futures courses – les théoriciens ne sont pas d’accord sur ce qu’ils signifient réellement.
À l’aide de superordinateurs, un groupe de 14 théoriciens connus collectivement sous le nom de collaboration Budapest-Marseille-Wuppertal, ou BMW, a effectué un calcul avancé du moment magnétique du muon. Le jour même où Polly et ses collègues ont dévoilé leurs résultats, les théoriciens de BMW ont publié un article dans La nature signalant que leurs calculs placent les résultats du Fermilab beaucoup plus près du modèle standard, sans aucune contribution de particules hypothétiques non découvertes.
Alors que les scientifiques se disputent pour faire correspondre la théorie aux découvertes expérimentales, la collaboration Muon g-2 continuera de générer des données. (Beaucoup de données : environ 1 pétaoctet par mois, assez pour remplir environ 4 000 téléphones intelligents.) Les résultats publiés en avril, dit Polly, ne représentaient que 6 % du total des données que l’expérience collectera.
« Nous ne faisons qu’effleurer la surface », dit Polly.
