L'expérience Muon g-2 du Fermilab a officiellement commencé à prendre des données. On voit ici la pièce maîtresse de l'expérience, un anneau constituant un électro-aimant qui génère un champ magnétique uniforme pour que les scientifiques puissent effectuer des mesures très précises du moment magnétique du muon. © Reidar Hahn

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Moment magnétique du muon : l'énigme enfin résolue ?

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Cousin lourd de l'électron, le muon se comporte comme un petit aimant en rotation et, depuis longtemps, défie les prédictions du modèle standard. Laboratoire pour tester des théories peut-être invérifiables avec le LHC, comme celles concernant la matière noire, cette énigme a peut-être été finalement résolue : et si l'on avait jusque-là oublié la Terre et Einstein ?

Ni les expériences au LHC ni les autres tentatives, comme la mission Planck ou Microscope, n'ont pour le moment été couronnées de succès pour explorer une éventuelle nouvelle physique au-delà du Modèle standard. La déception et la perplexité sont certainement grandissantes parmi les théoriciens qui n'ont pourtant fait que pousser jusqu'au bout les idées fondant ce modèle au succès extraordinaire. Cette « nouvelle physique » se cache peut-être dans des phénomènes mettant en jeu des énergies trop élevées pour un accélérateur, fût-il de la taille de la Terre.

Tout espoir n'est pas encore perdu de découvrir cette nouvelle physique, bien que de manière indirecte. L'un des moyens se cache peut-être dans une énigme qui interpelle les chercheurs depuis au moins le début du XXIe siècle : celle du moment magnétique anomal (attention c'est bien anomal et pas anormal dans le langage des physiciens) d'un cousin de l'électron, le muon, un lepton de masse 207 fois plus grande. Sa valeur ne semble pas être en accord avec les calculs menés dans le cadre du Modèle standard.

Or, une façon d'expliquer ce désaccord est de faire intervenir les mythiques particules supersymétriques de masses plus lourdes que celles accessibles au LHC. Toutefois, il pourrait s'agir d'une erreur de mesure et c'est pourquoi une nouvelle expérience baptisé Muon g-2, destinée à clore le débat sur cette éventualité, est actuellement en cours au Fermilab depuis peu.

Une présentation de l'énigme du moment magnétique du muon. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Fermilab

Le muon et l'électrodynamique quantique

Cependant, le désaccord entre les expériences passées et la théorie n'est que de l'ordre de 3,5 sigma, comme disent les physiciens. En clair : ce n'est pas encore une découverte solide. Des théoriciens viennent peut-être de régler la question en suggérant, calculs à l'appui, que cette différence serait due à la non prise en compte de l'influence de gravité, effectivement négligée jusque-là. Il en irait donc de la célèbre énigme du moment magnétique du muon comme du cas des neutrinos transluminiques de l'expérience Opera.

Mais que signifie, au juste, cette histoire de moment magnétique et de nouvelle physique qui intervient dans son calcul ?

Rappelons que le muon a été initialement découvert en 1937 et qu'on l'avait pris à l'époque pour le pion, encore appelé méson pi, le boson de spin nul prédit par Hideki Yukawa dans le cadre de sa théorie de la force nucléaire forte entre les nucléons. En 1947, le pion est finalement identifié et le muon, qui est en fait un fermion, apparaît alors comme une nouvelle particule défiant les explications des théoriciens. Que vient faire dans l'univers ce cousin lourd de l'électron qui se désintègre en donnant un deuxième neutrino, en plus de celui déjà connu dans la désintégration bêta ?

Or, tout comme l'électron, le muon est une particule chargée de spin ½ qui peut donc se concevoir, dans une certaine limite car c'est un objet quantique, comme une petite sphère en rotation. Qui dit charge en rotation dit courant électrique donc production de champ magnétique. Le muon, comme l'électron, doit se comporter comme un petit aimant. Il doit présenter un moment magnétique proportionnel à son spin, avec entre autres, un facteur g (facteur de Landé) lié à une constante de proportionnalité, le rapport gyromagnétique.

La QED, la théorie de base pour calculer des moments magnétiques en physique des particules. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Fermilab

Ce facteur g peut se calculer avec la version relativiste de l'équation de Schrödinger appliquée à l'électron, c'est-à-dire l'équation de Dirac, laquelle prédit magiquement le spin de l'électron et l'existence de l'antimatière. Dans le cas de l'électron et du muon, g vaut 2 mais c'est sans compter avec l'effet du champ électromagnétique généré par ces particules et qui doit être décrit par une version quantique du champ électromagnétique de Maxwell. L'expérience prouve que g-2 n'est pas nul et ce fut un grand succès de l'électrodynamique quantique (Quantum Electrodynamic ou QED en anglais) de Feynman-Tomonaga-Schwinger de la fin des années 1940 et du début des années 1950 de commencer à prédire la valeur précise de cet écart dans le cas de l'électron mais aussi du muon.

La valeur anormale du moment magnétique anomal de ces leptons par rapport aux prédictions de l'équation de Dirac s'explique en gros par le fait que ces particules sont continuellement en train d'interagir avec un nuage de particules chargés virtuelles apparaissant et disparaissant sans cesse autour d'elle et dont les effets sont décrits par les diagrammes de Feynman (montrés dans la vidéo ci-dessus). Les années passant, et avec la découverte de l'existence de nouvelles particules chargées comme les bosons W ou les quarks, les calculs se sont affinés au point d'être spectaculairement confirmés à au moins 10 décimales avec l'électron, ce qui fait de la QED la théorie physique la plus précise et la mieux vérifiée.

Les tests expérimentaux de la QED. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Fermilab

L'accord, bien que remarquable, n'est donc pas aussi bon dans le cas du muon et c'est pourquoi on a été tenté de supposer l'existence d'autres particules relevant d'une nouvelle physique dans le nuage de particules virtuelles en interaction avec le muon. Actuellement, la communauté scientifique est quelque peu en effervescence car un groupe de chercheurs japonais a publié sur arXiv trois articles suggérant qu'il fallait en fait réaliser les calculs de QED en écrivant l'équation de Dirac en espace-temps courbe.

Les expériences réalisées pour mesurer le moment magnétique des muons, depuis par exemple celle du Cern avec l'accélérateur PS (proton synchrotron) au début des années 1960, à laquelle avait participé le prix Nobel de physique Georges Charpak, jusqu'à celle du Brookhaven National Laboratory (E82) à la fin des années 1999, souffriraient donc d'un même biais : la non prise en compte du champ de gravitation de la Terre dans les calculs théoriques.

Cependant, la situation reste confuse car il semblerait que ces physiciens aient commis des erreurs dans leurs calculs. C'est du moins l'avis de Matt Visser, un expert bien connu de la théorie des champs en espace-temps courbe et de son application aux trous de ver.

  • Lepton plus lourd que l'électron, le muon est l'une des particules élémentaires du modèle standard. Comme l'électron, il possède un moment magnétique qui fait de lui un petit aimant en rotation.
  • La valeur de ce moment dépend d'effets quantiques que l'on peut calculer précisément dans le cadre de l'électrodynamique quantique de Feynman-Tomonaga-Scwhinger, la QED, complétée par la théorie électrofaible et la QCD.
  • Depuis presque 20 ans, des mesures sont en contradiction avec ces théories, ce qui pourrait suggérer qu'une nouvelle physique intervient, comme la supersymétrie. Des mesures plus précises sont en cours mais, selon des chercheurs japonais, on aurait peut-être simplement négligé à tort la gravité de la Terre dans les expériences.
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