L'expérience Muon g-2 a mesuré le moment magnétique anormal des muons, confirmant qu'il ne correspond pas à la valeur calculée. Cet écart indique l'existence de particules ou d'interactions inconnues dans le modèle standard de la mécanique quantique.
Le modèle standard de la mécanique quantique décrit très précisément le comportement des particules élémentaires. Cependant, ses formules ne fonctionnent pas toujours, ce qui peut indiquer l'incomplétude de la théorie et l'existence d'une "nouvelle physique" plus profonde et plus fondamentale. L'une de ces anomalies est l'écart entre la précession du muon et les calculs les plus précis. Les physiciens de la collaboration Muon g-2 ont mesuré cette déviation avec une grande précision, confirmant qu'elle existe et est peut-être liée à l'influence de particules encore inconnues. Les scientifiques écrivent à ce sujet dans un article publié dans la revue Physical Review Letters.
Les muons sont des particules élémentaires, semblables aux électrons, mais environ 200 fois plus lourdes qu'eux et pas aussi stables. Les muons ont également une charge négative et un spin demi-entier (1/2), grâce à quoi ils ont un moment magnétique. Une fois dans un champ magnétique externe, ils dévient et oscillent (précessent) comme de minuscules gyroscopes. Cette précession dépend de la masse de la particule, de sa charge et du facteur g - un facteur qui détermine la différence entre les moments magnétiques et mécaniques de la particule.
Dans le vide, où il y a une création et une mort constantes de particules virtuelles, leur présence affecte le moment magnétique des muons et, par conséquent, la valeur du facteur g. Le modèle standard de la mécanique quantique permet de prendre en compte la contribution de toutes les particules connues et de calculer le facteur g avec une grande précision. Cependant, les mesures expérimentales de la précession des muons ne concordent pas légèrement avec les prédictions de la théorie. Cette déviation est connue sous le nom de problème de moment magnétique anormal du muon et on pense qu'elle indique l'existence de particules massives ou d'interactions encore inconnues.
L'expérience Muon g-2 trouve des preuves solides d'une nouvelle physique
Ainsi, la valeur la plus précise du moment magnétique anormal des muons, obtenue en 2020, est de 0,00116591810. Parallèlement, des expériences menées au Brookhaven National Laboratory (BNL) ont montré une valeur de 0,00116592080. Nouvelles mesures du moment magnétique anormal ont été réalisées par des physiciens du Laboratoire Fermi. Curieusement, ils ont utilisé pour cela un anneau de stockage magnétique de Brookhaven, qu'ils ont transporté il y a quelques années dans un nouveau laboratoire et connecté à l'accélérateur de particules du Laboratoire Fermi pour mesurer le moment magnétique anormal des muons.
Au cours de l'expérience Muon g-2, un flux de muons a été dirigé dans un anneau magnétique. Dans un vide profond, les particules se sont déplacées à une vitesse proche de la lumière, et les scientifiques ont mesuré leur précession. Plus de 200 experts de sept pays ont participé à la collaboration et, en 2018, ils ont collecté plus de huit milliards de mesures. L'analyse et le traitement statistique de ces données ont duré près de deux ans et leurs résultats ne sont rendus publics que maintenant. Compte tenu des données précédentes et nouvelles, le facteur g du muon est de 2,00233184122 et le moment magnétique anormal est de 0,00116592061.
La valeur obtenue en combinant les mesures du BNL et du Fermilab a un écart type de 4,2 sigma. Les chances qu'il soit le résultat de fluctuations aléatoires ne dépassent pas une sur quarante mille. Néanmoins, l'écart approche déjà cinq sigma - le "gold standard" de la physique des particules élémentaires, ce qui nous permet de parler avec confiance de la découverte. Les scientifiques sont convaincus qu'ils surmonteront bientôt cette valeur.
Selon eux, à ce jour, seulement environ six pour cent des informations que l'expérience Muon g-2 devrait collecter ont été traitées. Le traitement des données des deuxième et troisième lancements du système se poursuit, ainsi que les mesures du quatrième lancement. "Déjà, les premiers résultats montrent un écart intrigant par rapport aux prédictions du modèle standard, - dit l'un des représentants de la collaboration Chris Polly (Chris Polly) - mais dans les deux prochaines années, nous apprendrons beaucoup."