2021, Le muon ne tourne pas rond

Une expérience considérée comme un véritable tournant dans la physique des particules, qualifiée même d’expérience de la dernière chance pour sauver le modèle standard[i], a été relayée dans la presse spécialisée[ii] ce mois-ci. Le muon, particule bien connue, a une de ses propriétés qui ne colle pas avec la théorie… Petit retour sur ce muon et son comportement.


La découverte du muon

En 1932, dans une chambre munie d’un écran métallique interne et placée dans un fort champ magnétique, Carl Anderson observe la trajectoire d’une particule dont le rayon de courbure est très différent des particules connues à l’époque. Sa charge, déterminé par le sens de rotation dans le champ magnétique est positif mais cette particule ne peut correspondre à un proton. Anderson identifie alors une particule prédite par Paul Dirac quelques années plus tôt : le positron, l’antiparticule de l’électron. Cette découverte vaut le Prix Nobel de Physique à Anderson en 1936. Ce n’est pas le muon, ce n’est qu’un apéritif.

En 1936, dans un article de la Physical Review[iii] Carl Anderson et Seth Neddermeyer, jeunes physiciens du California Institue of Technology, étudient les particules du rayonnement cosmique.  Ils utilisent une chambre de Wilson déclenchée par des compteurs Geiger-Müller et poursuivent l’étude du rayonnement cosmique en comparant des plaques photographiques réalisées à 4900 m d’altitude à d’autres plaques réalisées au niveau de la mer. Ils identifient une particule dont le rayon de courbure indique qu’elle est négative mais sa masse ne correspond pas à celle de l’électron puisque cette particule a une masse de l’ordre de 220 fois la masse de l’électron[iv]. La particule observée est produite lors de l’interaction entre le rayonnement cosmique à haute énergie et une plaque métallique et ce produit se révèle instable en se désintégrant très vite après son apparition : c’est le muon. Les équations de Dirac n’avaient pas prévues son existence ce qui fera dire aux physiciens de l’époque : « Who ordered this particle? »

L’oscillation du muon

À quelle vitesse les particules fondamentales oscillent-elles? Cette question apparemment sans importance a fait l’objet de prédictions théoriques qui ont été confrontées à l’expérience. Comme les électrons, les muons agissent comme s’ils avaient un minuscule aimant interne. Dans un champ magnétique puissant, la direction de l’aimant du muon vacille, tout comme l’axe d’une toupie ou d’un gyroscope. La force de l’aimant interne détermine la vitesse de précession du muon dans un champ magnétique externe et est décrite par un nombre que les physiciens appellent le facteur g. Ce nombre peut être calculé avec une très haute précision.

Avant les années 70 et l’avènement du modèle standard, la théorie prédisait une valeur de 2 pour ce facteur g.

L’expérience de 1947[v]

En 1947, Polykarp Kusch et Henry Foley mesurent le facteur g de l’électron, cousin du muon dont on estime qu’ils doivent avoir le même facteur et les scientifiques trouvent 2,00232. Ah oui mais là ce n’est pas 2 tout pile me direz-vous et vous avez raison, il y a un chouïa en plus à la 3ème décimale.

Le physicien théoricien Julian Schwinger propose immédiatement de prendre en compte d’autres interactions comme le fait qu’un électron peut émettre et réabsorber momentanément un photon. Et oui, la courte vie d’un muon n’est pas un long fleuve tranquille. Un muon (ou un électron) peut émettre et réabsorber deux photons, ou un photon qui devient brièvement un électron et un positron, et il y a encore d’innombrables autres possibilités que le modèle standard permet. La particule que vous pensiez être un muon est en fait un muon plus un nuage d’autres choses qui apparaissent et disparaissent spontanément, et toutes ces interactions changent le moment magnétique du muon.

Le modèle standard est le cadre théorique le plus robuste que nous ayons pour étudier le comportement des particules. Il a été développé à partir des années 50 et la valeur prédite par la théorie pour ce facteur g est alors de 2,00233183620(86). On a déplacé le problème sur la 5ème décimale ! Champagne ? Les progrès techniques grandissant, il doit y avoir moyen d’affiner la mesure faite en 1947 avant de sortir les coupes du congélateur et c’est ce qui a été fait au début des années 2000.

L’expérience g-moins-2 de 2001

Dans les années 1990, une équipe du Brookhaven National Laboratory à Long Island construit un anneau de 15 mètres de large pour lancer des muons dans un champ magnétique et collecter des données sur les produits de sa désintégration (dont des électrons). Pendant ce temps, la prédiction du modèle standard s’affine et donne une valeur de 2,0023318319.

En 2001, les expérimentateurs annoncent leurs premiers résultats[vi], g a une valeur expérimentale de  2,0023318404 pour le muon, avec une incertitude sur les deux derniers chiffres. Il y a un bug sur la 8ème décimale. Bon alors on ouvre la bouteille quand même ? Pas encore car si l’expérience connue sous le nom de g-2 (G moins 2) donne des résultats discordants avec la théorie ; il faut peut-être revoir sa copie. Pour crier au loup, les scientifiques doivent estimer les incertitudes de mesures, l’écart-type et avoir un signal dit de « 5-sigma » pour véritablement dire qu’il y a quelque chose de nouveau. Or, l’expérience de 2001 présente un signal de 2,6 sigma, ce qui est déjà pas mal. En gros, cela signifie qu’il y a 99% de chances pour que l’expérience démontre que le modèle standard est incomplet. On remballe le champagne…

Les hypothèses sur la table

(1) La théorie du modèle standard est juste et ne nécessite aucune « nouvelle physique » et l’expérience est juste. Il y a environ une chance sur cent que les expérimentateurs trouvent un écart aussi grand que celui rapporté, ce qui est simplement une fluctuation statistique.

(2) La prédiction de la théorie du modèle standard est correcte, et de nouvelles données provenant d’autres expériences de physique des particules utilisées par le modèle changeront la valeur de g.

(3) On peut conclure que le modèle standard est incomplet ou erroné. Dans ce cas, il serait nécessaire de réviser la théorie. La mesure ne dit pas ce que sera vraisemblablement cette nouvelle physique. Bien sûr, de nombreux théoriciens ont déjà envisagé cette possibilité et ont suggéré que la supersymétrie, la sous-structure du muon ou la sous-structure du boson W qui affecterait très probablement le facteur g du muon

L’annonce faite le 7 avril 2021 devait faire le tri entre ces hypothèses.

2021, nouvelle théorie et nouvelles mesures

Sur les vingt dernières années, la théorie s’est aussi affinée, en particulier avec le développement d’algorithmes et de puissance de calcul des ordinateurs qui a permis à un groupe de 14 chercheurs nommé BMW (d’après Budapest, Marseille et Wuppertal, les trois villes européennes d’où la plupart des membres de l’équipe étaient originaires). Sans rentrer dans le détail de leurs améliorations théoriques, ils ont publié leur résultat en 2020 : g devait avoir une valeur de 2,00233183908, en assez bon accord avec l’expérience de Brookhaven, même si la 8ème décimale n’est toujours pas raccord. Les incertitudes expérimentales avaient été revues entre temps et laissaient un sigma à 3,6 dans le rétroviseur de la théorie BMW, de quoi se faire encore des cheveux blancs. Aussi les mesures de la nouvelle expérience étaient très attendus, c’est ce qui a été rendu public la semaine dernière.

L’expérience a eu lieu au Fermilab, près de Chicago[vii] et le résultat est tombé[viii] : 2,00233184122. Donc ce résultat confirme le résultat de Brookhaven en 2001 et s’éloigne de la prédiction faite par le modèle standard. Un petit graphique (où la mesure de l’anomalie gyroscopique a été fait et dont je n’ai pas parlé ici) rendra mieux compte du gap entre la théorie et la pratique. Bon seulement 6% des données ont été analysées pour le moment mais la statistique est montée à 4,2 sigma et même si le sacro saint-graal des 5 sigma n’est pas encore atteint, la perplexité est grande chez les physiciens qui vont probablement devoir plancher sur une nouvelle physique.

Un petit mot sur l’expérience

Mais comment on fait pour mesurer ce truc ? Un schéma vaut mieux que de longues explications :

Remerciements

Matthieu Saillant, pour avoir suscité ma curiosité sur cette affaire


[i] Quanta Magazine, « ‘Last Hope’ experiment finds evidence for unknown particles », Natalie Wolchover, 7 avril 2021, Muon g-2 Experiment at Fermilab Finds Hint of New Particles | Quanta Magazine

[ii] Phys.org, « New estimate of muon’s magnetic field streght aligns with standard model of particle physics », 7 avril 2021, New estimate of muon’s magnetic field strength aligns with standard model of particle physics

[iii] Anderson, C. D., & Neddermeyer, S. H. (1936). Cloud Chamber Observations of Cosmic Rays at 4300 Meters Elevation and Near Sea-Level. Physical Review, 50(4), 263–271. doi:10.1103/physrev.50.263 

[iv] S.H. Neddermeyer and C.D. Anderson, « Note on the Nature of Cosmic-Ray Particles », Phys. Rev. 51, 884–886 (1937)

[v] Kusch, P., & Foley, H. M. (1948). The Magnetic Moment of the Electron. Physical Review, 74(3), 250–263. doi:10.1103/physrev.74.250 

[vi] G. W. Bennett et al. (Muon (g-2) Collaboration), Measurement of the Negative Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.7 ppm, Phys. Rev. Lett. 92, 161802 – Published 23 April 2004 hepex0401008.pdf (bnl.gov)

[vii] Fermilab | Home (fnal.gov)

[viii] Leading hadronic contribution to the muon magnetic moment from lattice QCD, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03418-1

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