L’expérience Muon g-2 du Laboratoire Fermi a dévoilé une nouvelle mesure de précision de la propriété magnétique du muon, faisant allusion à des particules non découvertes et à une avancée potentielle en physique. Les résultats ouvrent la voie à une confrontation finale entre la théorie actuelle et l’expérience en 2025.
Les résultats du Laboratoire Fermi montrent un écart entre la théorie et l’expérience, ce qui pourrait conduire à une nouvelle physique au-delà du modèle standard.
Les physiciens disposent désormais d’une toute nouvelle mesure d’une propriété du muon appelée moment magnétique anormal, qui améliore d’un facteur 2 la précision de leur résultat précédent.
Une collaboration internationale de scientifiques travaillant sur l’expérience Muon g-2 au Laboratoire national de l’accélérateur Fermi du ministère américain de l’Énergie a annoncé la mise à jour très attendue des mesures le 10 août. Cette nouvelle valeur renforce le premier résultat annoncé en avril 2021 et met en place une confrontation entre théorie et expérience sur 20 ans de préparation.
« Nous explorons vraiment de nouveaux territoires. Nous déterminons le moment magnétique du muon avec une meilleure précision que jamais auparavant », a déclaré Brendan Casey, scientifique principal au Fermilab qui travaille sur l’expérience Muon g-2 depuis 2008.
L’annonce du 10 août 2023 est le deuxième résultat de l’expérience au Laboratoire Fermi, qui est deux fois plus précis que le premier résultat annoncé le 7 avril 2021. Crédit : Ryan Postel, Laboratoire Fermi
Au-delà du modèle standard
Les physiciens décrivent le fonctionnement de l’univers à son niveau le plus fondamental grâce à une théorie connue sous le nom de modèle standard. En faisant des prédictions basées sur le modèle standard et en les comparant aux résultats expérimentaux, les physiciens peuvent déterminer si la théorie est complète ou s’il existe une physique au-delà du modèle standard.
Les muons sont des particules fondamentales similaires aux électrons mais environ 200 fois plus massives. Comme les électrons, les muons possèdent un minuscule aimant interne qui, en présence d’un champ magnétique, précession ou vacille comme l’axe d’une toupie. La vitesse de précession dans un champ magnétique donné dépend du moment magnétique du muon, généralement représenté par la lettre g; au niveau le plus simple, la théorie prédit que g devrait être égal à 2.
Cette vidéo de sept minutes fournit des informations supplémentaires sur les muons et les nouveaux résultats de la collaboration Muon g-2.
L’importance du g-2
La différence de g de 2 — ou g moins 2 — peut être attribué aux interactions du muon avec les particules de la mousse quantique qui l’entoure. Ces particules clignotent et disparaissent et, comme des « partenaires de danse » subatomiques, saisissent la « main » du muon et modifient la façon dont le muon interagit avec le champ magnétique. Le modèle standard intègre toutes les particules connues de « partenaires de danse » et prédit l’évolution de la mousse quantique. g. Mais il pourrait y en avoir davantage. Les physiciens sont enthousiasmés par l’existence possible de particules encore inconnues qui contribuent à la valeur de g-2 – et ouvrirait la fenêtre sur l’exploration d’une nouvelle physique.
Gordan Krnjaic, physicien théoricien des particules au Fermilab et au Université de Chicago Kavli Institute for Cosmological Physics, a déclaré au New York Times que si le désaccord expérimental avec la théorie persistait, ce serait « la première preuve irréfutable en laboratoire d’une nouvelle physique ». Et ce pourrait bien être la première fois que nous brisons le modèle standard.»
Incertitudes dans la mesure
Le nouveau résultat expérimental, basé sur les trois premières années de données, annoncé par la collaboration Muon g-2 est :
g-2 = 0,00233184110 +/- 0,00000000043 (stat.) +/- 0,00000000019 (syst.)
La mesure du g-2 correspond à une précision de 0,20 partie par million. La collaboration Muon g-2 décrit le résultat dans un article qu’elle a soumis à Lettres d’examen physique.
Avec cette mesure, la collaboration a déjà atteint son objectif de réduire un type particulier d’incertitude : l’incertitude causée par les imperfections expérimentales, appelées incertitudes systématiques.
En raison de la grande quantité de données supplémentaires qui entreront dans l’annonce de l’analyse de 2023, le dernier résultat de la collaboration Muon g-2 est plus de deux fois plus précis que le premier résultat annoncé en 2021. Crédit : Collaboration Muon g-2
« Cette mesure est une réalisation expérimentale incroyable », a déclaré Peter Winter, co-porte-parole de la collaboration Muon g-2. « Réduire l’incertitude systématique à ce niveau est un gros problème et c’est quelque chose que nous ne nous attendions pas à réaliser si tôt. »
Même si l’incertitude systématique totale a déjà dépassé l’objectif de conception, l’aspect le plus large de l’incertitude – l’incertitude statistique – dépend de la quantité de données analysées. Le résultat annoncé aujourd’hui ajoute deux années supplémentaires de données à leur premier résultat. L’expérience du Fermilab atteindra son incertitude statistique ultime une fois que les scientifiques auront intégré les six années de données dans leur analyse, que la collaboration vise à achever au cours des deux prochaines années.
Détails de l’expérience
Pour effectuer la mesure, la collaboration Muon g-2 a envoyé à plusieurs reprises un faisceau de muons dans un anneau de stockage magnétique supraconducteur de 15 mètres de diamètre, où ils ont circulé environ 1 000 fois à une vitesse proche de celle de la lumière. Les détecteurs installés autour de l’anneau ont permis aux scientifiques de déterminer la rapidité avec laquelle les muons précédaient. Les physiciens doivent également mesurer précisément l’intensité du champ magnétique pour ensuite déterminer la valeur de g-2.
L’expérience Fermilab a réutilisé un anneau de stockage construit à l’origine pour l’expérience précédente Muon g-2 au laboratoire national de Brookhaven du DOE qui s’est terminée en 2001. En 2013, la collaboration a transporté l’anneau de stockage sur 3 200 milles de Long Island, New York, à Batavia, Illinois. Au cours des quatre années suivantes, la collaboration a assemblé l’expérience avec des techniques, des instruments et des simulations améliorés. L’objectif principal de l’expérience du Laboratoire Fermi est de réduire l’incertitude de g-2 d’un facteur quatre par rapport au résultat de Brookhaven.
En plus du plus grand ensemble de données, cette dernière mesure de g-2 est améliorée par des mises à jour de l’expérience Fermilab elle-même.
« C’est peut-être la première fois que nous brisons le modèle standard. »
— Gordan Krnjaic, scientifique du Fermilab et de l’UChicago
Conclusion : l’avenir de l’expérience
« Notre nouvelle mesure est très intéressante car elle nous amène bien au-delà de la sensibilité de Brookhaven », a déclaré Graziano Venanzoni, professeur à l’Université de Liverpool affiliée à l’Institut national italien de physique nucléaire de Pise et co-porte-parole de l’expérience Muon g-2. au Laboratoire Fermi.
En plus du plus grand ensemble de données, cette dernière mesure de g-2 est améliorée par des mises à jour de l’expérience Fermilab elle-même. « Nous avons amélioré beaucoup de choses entre notre première année de collecte de données et nos deuxième et troisième années », a déclaré Casey, qui a récemment terminé son mandat en tant que co-porte-parole de Venanzoni. « Nous améliorions constamment l’expérience. »
L’expérience « tournait vraiment à plein régime » pendant les trois dernières années de collecte de données, qui se sont terminées le 9 juillet 2023. C’est à ce moment-là que la collaboration a arrêté le faisceau de muons, concluant l’expérience après six années de collecte de données. . Ils ont atteint l’objectif de collecter un ensemble de données plus de 21 fois supérieur à celui de Brookhaven.
Les physiciens peuvent calculer les effets des « partenaires de danse » connus du modèle standard sur le muon g-2 avec une précision incroyable. Les calculs prennent en compte les forces électromagnétiques, nucléaires faibles et nucléaires fortes, notamment les photons, les électrons, les quarks, les gluons, les neutrinos, les bosons W et Z et le boson de Higgs. Si le Modèle Standard est correct, cette prédiction ultra-précise devrait correspondre à la mesure expérimentale.
Le calcul de la prédiction du modèle standard pour le muon g-2 est très difficile. En 2020, la Muon g-2 Theory Initiative a annoncé la meilleure prédiction du modèle standard pour le muon g-2 disponible à l’époque. Mais une nouvelle mesure expérimentale des données qui alimentent la prédiction et un nouveau calcul basé sur une approche théorique différente – la théorie de la jauge sur réseau – sont en tension avec le calcul de 2020. Les scientifiques de la Muon g-2 Theory Initiative visent à disposer dans les prochaines années d’une nouvelle prévision améliorée prenant en compte les deux approches théoriques.
La collaboration Muon g-2 comprend près de 200 scientifiques de 33 institutions dans sept pays et compte jusqu’à présent près de 40 étudiants qui ont obtenu leur doctorat sur la base de leurs travaux sur l’expérience. Les collaborateurs vont désormais passer les deux prochaines années à analyser les trois dernières années de données. « Nous nous attendons à un facteur de précision supplémentaire de deux à la fin », a déclaré Venanzoni.
La collaboration prévoit de publier sa mesure finale et la plus précise du moment magnétique du muon en 2025, établissant ainsi la confrontation ultime entre la théorie et l’expérience du modèle standard. D’ici là, les physiciens disposent d’une nouvelle mesure améliorée du muon g-2, ce qui constitue une étape importante vers son objectif physique final.
La collaboration Muon g-2 a soumis cet article scientifique pour publication.
Voici l’enregistrement du séminaire scientifique tenu le 10 août 2023.
L’expérience Muon g-2 est soutenue par le ministère de l’Énergie (États-Unis) ; National Science Foundation (États-Unis) ; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Italie) ; Conseil des installations scientifiques et technologiques (Royaume-Uni) ; Royal Society (Royaume-Uni); Horizon 2020 de l’Union européenne ; Fondation nationale des sciences naturelles de Chine ; MSIP, NRF et IBS-R017-D1 (République de Corée) ; et Fondation allemande pour la recherche (DFG).
