Partager des résultats décevants avec un monde de chercheurs qui travaillent à trouver ce qu'ils espèrent être la « découverte du siècle » n'est pas une tâche facile, mais c'est ce que le physicien théorique de Penn State Zoltan Fodor et son groupe de recherche international ont fait il y a cinq ans avec leur calcul étendu de la force de l'électron magnétique autour du muon – une particule subatomique similaire à, mais plus lourd que, un électron. À l'époque, leur constatation a été la première à combler l'écart entre la théorie et les mesures expérimentales, ce qui la conduisait au modèle standard, la théorie de la physique bien testée qui a guidé la physique des particules depuis des décennies.
Plus tôt le même jour, après près de 20 ans, un nouveau résultat expérimental a également été publié montrant un fort écart entre la théorie et l'expérience. Cela a été interprété par la plupart des physiciens comme un signe de nouvelle physique, et de nombreux physiciens ont partagé un certain scepticisme des résultats de Fodor et espéraient qu'avec plus de recherches, le résultat des autres groupes allait sonner.
Pourquoi? Il y a vingt-quatre ans, dans une expérience au Brookhaven National Laboratory, les physiciens ont détecté ce qui semblait être un écart entre les mesures du «moment magnétique» du muon – la force de son champ magnétique – et les calculs théoriques de ce que ces mesures devraient être, ce qui devrait être la possibilité tantalisation de particules ou de forces physiques non découvertes. Ils ont indiqué que le muon était plus magnétique que prévu par le modèle standard.
À l'époque, cela a ouvert la possibilité d'un nouveau type de particule ou de force – une perspective passionnante pour les physiciens, y compris Fodor, qui a contribué à la recherche du mystère dans l'espoir de faire une découverte. La semaine dernière, cependant, le groupe de recherche original, appelé la collaboration Muon G-2, a présenté ses résultats finaux au Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), qui s'aligne sur les calculs de Fodor 2020 et sont cohérents avec le modèle standard.
« Comme de nombreux autres physiciens, ma motivation originale n'était pas de prouver qu'il y avait un accord entre le modèle standard et l'observation du muon », a déclaré Fodor, professeur distingué de physique à l'Eberly College of Science et co-embauche de l'Institut pour les sciences informatiques et de données.
« Mon objectif initial était de fournir un calcul réel et contrôlable et de faire partie de la découverte du siècle. Ce rêve a été une réelle motivation pour moi. Mais la nature a le sage ultime, et nous avons été les premiers à réaliser qu'une nouvelle découverte n'était pas le cas. »
Depuis leurs résultats en 2020, Fodor et son groupe ont également amélioré leur calcul, avec le résultat montrant un accord encore meilleur avec le modèle standard.
Dans les questions et réponses suivantes, Fodor a parlé de son travail sur la théorie quantique entourant les muons, la valeur de l'investissement dans la recherche fondamentale et pourquoi même la déception est une partie précieuse de la découverte scientifique.
Quel est le contexte de ce mystère de 24 ans?
Je décrirais le mystère comme la tension, ou l'écart, entre une quantité mesurée, qui est le moment magnétique ou le magnétisme, du muon et le calcul théorique. Vous calculez le magnétisme de la particule sous le modèle standard, puis vous le mesurez directement, et vous vous retrouvez avec deux résultats différents.
Dans le modèle standard de physique des particules, vous pouvez calculer essentiellement tout. Nous ne connaissons que quatre interactions: la gravitation, que nous connaissons de nos leçons d'enfance explique la chute des pommes; L'électromagnétisme, que les Grecs ont réalisé lorsqu'ils ont observé que les aimants attirent le fer; et les interactions faibles et fortes, qui ont été découvertes aux XIXe et 20e siècles, respectivement.
Trouver une telle tension, qui était au centre du mystère de 24 ans, pourrait suggérer que la physique que nous connaissons aujourd'hui n'est pas complète et qu'il pourrait y avoir une nouvelle force. Il a fait penser que beaucoup de gens pourraient penser qu'il pourrait y avoir une nouvelle interaction physique inconnue derrière la tension Muon. Et si vous trouvez une nouvelle interaction, ce serait la découverte du siècle.
Notre calcul il y a cinq ans a été la première indication qu'une telle tension n'existait probablement pas. Ce que les gens observaient était en quelque sorte le résultat d'un calcul qui a utilisé des données sous la forme d'incertitudes expérimentales sous-estimées. C'était un problème compliqué, mais nous avons pu produire un calcul vraiment précis en 2020 et nous avons depuis amélioré même cette précision.
Lorsque nous avons suggéré pour la première fois qu'il n'y a rien ici, pas de nouvelle interaction, les gens ne voulaient pas nous croire. Depuis lors, des preuves supplémentaires ont été recueillies et les gens ont commencé à accepter de plus en plus notre résultat.
Aujourd'hui, le résultat expérimental est désormais plus précis, correspondant à notre résultat théorique calculé 2024. La plupart des théoriciens acceptent que ce que nous avons suggéré précédemment explique la tension antérieure et, maintenant, le résultat expérimental final de la semaine dernière s'aligne sur le modèle standard de physique des particules.
Depuis combien de temps travaillez-vous sur ce problème? Pouvez-vous parler de l'approche de votre groupe pour résoudre ce problème?
Comme beaucoup d'autres physiciens, lorsque j'ai commencé ce travail il y a environ 10 ans, ma motivation originale était de prouver qu'il y avait un désaccord entre le modèle standard et l'observation du muon. Pourquoi?
Face à l'écart d'origine, il y avait trois options: soit la prédiction théorique était incorrecte, l'expérience était incorrecte ou, comme la plupart des physiciens le pensaient, c'était le signe d'une force inconnue de la nature.
À l'origine, nous avons décidé d'essayer de trouver un meilleur moyen de calculer la prédiction. Notre équipe de physiciens, appelée Budapest-Marseille-Wuppertal Collaboration, a pris les équations sous-jacentes les plus élémentaires de la forte interaction, a mis les équations sur une grille spatiale et a résolu autant que possible à la fois.
Ainsi, essentiellement, au lieu de compter sur des données expérimentales, nous avons simulé tous les aspects de nos calculs à partir de zéro – une tâche nécessitant un pouvoir de supercalcul massif – et nous n'avons trouvé aucun désaccord, nous avons donc conclu que la première option était correcte: l'ancien résultat théorique plaqué or était désactivé d'une certaine manière.
La technique que nous avons utilisée est un peu comme faire des prévisions météorologiques. Au fur et à mesure que les avions pilotent leurs itinéraires, ils mesurent la pression, la température et la vitesse du vent à des points donnés sur Terre. De même, nous avons placé la forte équation d'interaction sur une grille espace-temps. Les données météorologiques à des points individuels sont ensuite placées dans un supercalculateur qui combine toutes les données pour prédire l'évolution de la météo.
Notre équipe a mis les forces d'interaction fortes sur une grille et a recherché l'évolution de ces champs. Pour les prévisions météorologiques, plus les avions collectent des données, meilleures sont la prédiction. Dans cette métaphore, nous avons utilisé des milliards d'avions pour calculer le moment magnétique le plus précis que nous pouvions utiliser des milliards d'heures de traitement informatique dans plusieurs centres de superordinateurs en Europe.
Notre nouvelle approche a produit une valeur de la force du champ magnétique du muon qui correspond étroitement à la valeur expérimentale mesurée par les scientifiques de Brookhaven et Fermilab. Il comble essentiellement l'écart entre la théorie et les mesures expérimentales et confirme le modèle standard qui a guidé la physique des particules pendant des décennies.
Comment vous sentez-vous de lire les résultats de l'expérience Muon G-2 de cette semaine cinq ans après avoir publié vos résultats de calcul théorique?
Des centaines de personnes étaient impliquées dans ces mesures et divers calculs à l'intérieur et au-delà du modèle standard. À l'époque, ils n'aimaient pas notre résultat car ils espéraient une découverte digne du prix Nobel. Donc, nous avions un vent de face très fort contre nous, et c'était un sentiment étrange.
Mais c'est aussi là que la valeur du soutien aux recherches théoriques de base entre en jeu. La science n'est pas une institution démocratique où vous avez besoin d'un consensus. La nature est telle qu'elle est, et il n'y a pas de majorités qui peuvent définir la nature sans preuve scientifique. La curiosité collective et les contributions de nombreux chercheurs ayant de nombreuses idées au fil du temps est ce qu'est la découverte scientifique.
Que signifie la dernière découverte de la semaine dernière pour la physique? Pour la société?
Les calculs de notre groupe de recherche ont été vérifiés et recalculés par plusieurs groupes, et je dirais que le résultat de notre groupe de recherche est maintenant si précis que, pour moi, il n'est pas possible de le rendre encore plus précis.
Cependant, il existe d'autres groupes qui travaillent dans ce domaine sous différents angles. Il est très utile et judicieux pour ces groupes de recherche en physique de continuer à atteindre plus de précision – ils seront en mesure de dire que notre résultat devrait être confirmé ou réfuté par d'autres calculs. C'est l'objectif de la science – pour continuer à travailler par le biais de théories et à trouver des preuves supplémentaires.
Pour la société, bien sûr, chaque fois que vous avez une nouvelle interaction, vous avez l'espoir de résoudre de nombreux problèmes de l'humanité, donc d'une manière qui pourrait être décevante. Par exemple, l'électromagnétisme a résolu de nombreuses questions – c'est la raison pour laquelle je peux mener cette interview par téléphone, en utilisant des ondes électromagnétiques.
La faible interaction est responsable de la désintégration radioactive, qui est utilisée en médecine, et dans de nombreux autres cas. La forte interaction est utilisée dans les centrales nucléaires. Donc, il y a beaucoup de choses que vous pouvez faire une fois que vous avez identifié une nouvelle interaction, et malheureusement, nous n'avons pas la nouvelle interaction que nous espérions.
C'est donc une conséquence pour la société, mais il y a aussi un côté positif à souligner. Notre calcul est si précis qu'il ne peut pas être accidentel et fournit d'excellentes preuves de la confirmation de la théorie du champ quantique. Il s'agit du principal cadre théorique pour comprendre de nombreux aspects de l'univers et les exploiter pour plusieurs applications, espérons-le, y compris l'informatique, les soins de santé et l'imagerie, la tenue de synchronisation et l'énergie.
Et c'est un résultat très significatif. Tout ce qui est établi en utilisant la théorie des champs quantiques est justifié à une position incroyable. Donc, en d'autres termes, c'est un énorme succès!
Qu'est-ce que vous aimez le plus dans votre travail?
J'adore le département de physique de l'État de Penn et mes collègues. Mes collègues mènent un niveau de recherche extrêmement élevé et percutant, et c'est un grand honneur d'être ici et de travailler avec ces scientifiques. J'aime vraiment la nature collaborative de Penn State et l'énorme portée de la recherche. Vous ne vous sentez pas isolé. Vous avez un lien avec de nombreux autres domaines, et il est tout simplement difficile d'imaginer un département, un collège et une institution plus interdisciplinaires.
