Muons : les particules subatomiques qui bouleversent le monde de la physique

Qu’est-ce qui représente environ 200 fois la masse d’un électron, existe pendant environ 2 millionièmes de seconde, frappe continuellement chaque centimètre de la surface de la Terre et semble se comporter d’une manière qui creuse un trou dans les lois de la physique acceptées de longue date ?

Ce serait le muon, une particule découverte pour la première fois à la fin des années 1930, qui se forme dans la nature lorsque les rayons cosmiques frappent des particules dans l’atmosphère de notre planète. Les muons vous traversent et tout ce qui vous entoure à une vitesse proche de celle de la lumière. Néanmoins, beaucoup d’entre nous n’ont probablement même pas réalisé leur existence avant avril 2021, lorsque la particule a fait la une des journaux après que des chercheurs du Fermi National Accelerator Laboratory du gouvernement américain – plus communément connu sous le nom de Fermilab – ont publié les premiers résultats d’une étude de trois ans. -longue expérience sur le muon g-2.

L’étude du Fermilab a confirmé les découvertes précédentes selon lesquelles le muon se comporte d’une manière contraire au modèle standard de physique des particules, le cadre théorique qui vise à décrire le fonctionnement de la réalité au plus petit niveau. Comme l’explique cet article de Science, les muons – qui existent dans une mer d’autres minuscules particules et antiparticules qui les affectent – ​​sont en réalité légèrement plus magnétiques que le modèle standard ne le prédirait. Cela, à son tour, indique l’existence possible d’autres particules ou forces encore inconnues.

Comme l’a expliqué l’un des chercheurs, le physicien Jason Bono, dans un communiqué de presse de son alma mater Florida International University, l’équipe savait que s’ils confirmaient la divergence dans le magnétisme des muons, « nous ne saurions pas exactement ce qui le cause, mais nous saurait que c’est quelque chose que nous ne comprenons pas encore.”

Les premiers résultats, ainsi que d’autres recherches récentes sur les particules, pourraient aider à plaider en faveur d’une nouvelle physique qui remplacerait le modèle standard. Du Fermilab, voici une vidéo YouTube expliquant les résultats et leur signification :

“Les muons sont comme des électrons, sauf 200 fois plus lourds”, explique Mark B. Wise, dans une interview par e-mail. Il est professeur de physique des hautes énergies au California Institute of Technology et membre de la prestigieuse National Academy of Sciences. (Si cela ne vous impressionne pas suffisamment, il a également été consultant technique sur les accélérateurs de particules pour le film hollywoodien de 2010 “Iron Man 2”).

“Selon la formule d’Einstein E=mc2, cela signifie que les muons au repos ont une énergie supérieure à celle des électrons”, explique Wise. “Cela leur permet de se désintégrer en particules plus légères tout en conservant l’énergie dans l’ensemble.”

Une autre différence clé est que les électrons sont censés être assez proches de l’immortalité, mais les muons n’existent que pendant 2,2 millionièmes de seconde, avant qu’ils ne se désintègrent en un électron et deux types de neutrinos, selon cette amorce du département américain de l’Énergie sur la particule.

Les muons qui sont constamment créés lorsque les rayons cosmiques frappent des particules dans l’atmosphère terrestre parcourent des distances étonnantes au cours de leur brève existence, se déplaçant à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Ils frappent chaque centimètre de la surface de la Terre et traversent presque tout sur leur passage immédiat, pénétrant potentiellement un kilomètre ou plus dans la surface de la Terre, selon le DOE.

Certains ont décrit les muons comme la clé pour comprendre toutes les particules subatomiques, bien que Wise n’aille pas aussi loin. « Dans la recherche de la physique au-delà de notre compréhension actuelle, vous devriez étudier toutes les particules », dit-il. “Le muon a cependant certains avantages. Par exemple, son moment magnétique anormal est prédit très précisément, ce qui le rend plus sensible à la nouvelle physique, au-delà de notre théorie actuelle qui modifierait cette prédiction. En même temps, il peut être mesuré très précisément.”

L’étude des muons n’est cependant pas simple. Le laboratoire Fermi utilise un dispositif de 700 tonnes (635 tonnes métriques) contenant trois anneaux, chacun de 50 pieds (15 mètres) de diamètre, qui a été expédié par barge et camion vers l’Illinois depuis son domicile d’origine au Brookhaven National Laboratory à New York quelques années dos. L’appareil est capable de générer un champ magnétique de 1,45 Tesla, environ 30 000 fois celui du champ magnétique terrestre.

“C’est fascinant que pour étudier quelque chose d’aussi petit et de courte durée, ils aient besoin de ces énormes pièces d’équipement”, explique Wise. “Lorsqu’ils sont produits à haute énergie, ils se déplacent presque à la vitesse de la lumière et peuvent parcourir une bonne distance avant de se désintégrer. Vous pouvez donc rechercher les preuves qu’ils laissent dans un détecteur.”

Par exemple, comme les muons sont des particules chargées, ils peuvent ioniser la matière qu’ils traversent. Les électrons produits par cette ionisation peuvent être détectés, selon Wise.

Wise dit que la récente découverte de l’équipe du Fermilab selon laquelle la particule est légèrement plus magnétique que ce à quoi les physiciens s’attendaient est significative. “Cela est en désaccord avec la prédiction des théories actuelles pour le moment magnétique du muon (la théorie actuelle est généralement appelée le modèle standard). Il y a donc une nouvelle physique au-delà de cela dans notre théorie actuelle qui est présente et modifie la prédiction pour cette quantité”, a déclaré Wise. dit

Comme de nombreuses découvertes importantes, la découverte du Laboratoire Fermi soulève de nouvelles questions, et il y a encore beaucoup de choses que les scientifiques veulent savoir sur le muon.

“Quelle est la nouvelle physique, c’est la question qu’elle soulève”, dit Wise. “Il y a aussi d’autres anomalies qui ne sont pas expliquées dans le [Standard Model] qui impliquent des muons. Sont-ils tous connectés d’une manière ou d’une autre ?”

Wise émet également une mise en garde concernant les résultats du Fermilab. “Il se peut qu’il y ait un effet systématique dans l’expérience qui n’est pas compris et qui a un impact sur l’interprétation de la mesure”, explique-t-il. “De même pour la théorie. Donc cette anomalie pourrait finalement disparaître. Il est très important de vérifier autant que possible de telles choses.”