Il y a une nouvelle mesure du magnétisme des muons. Ce que cela signifie n'est pas clair.

Les muons pourraient ne pas se comporter comme prévu. Mais les scientifiques ne parviennent pas à se mettre d'accord sur ce qui est attendu. En répertoriant les oscillations des particules subatomiques dans un champ magnétique, les physiciens ont déterminé avec une précision jamais atteinte auparavant une propriété de l'aimant interne du muon, ont rapporté des chercheurs de l'expérience Muon g-2 lors d'un séminaire organisé par Fermilab à Batavia, dans l'Illinois, le 10 août.

Les mesures précédentes du magnétisme des muons ne sont pas conformes aux prédictions théoriques. Ces prédictions proviennent de l'une des théories scientifiques les plus importantes et les plus soigneusement testées jamais élaborées, le modèle standard de la physique des particules, qui décrit les particules subatomiques et les forces qui les lient.

De nombreux physiciens espéraient que la divergence des muons pourrait révéler une faille dans la théorie solide qui pourrait conduire à une meilleure compréhension de l'univers. Mais plusieurs surprises scientifiques récentes ont compliqué la prédiction théorique de la force du minuscule aimant du muon, rendant ainsi plus difficile de savoir si la mesure pointe vers une nouvelle physique ou un problème non résolu avec la prédiction.

Les muons font partie de la même famille de particules que les électrons mais sont environ 200 fois plus massifs. Ces particules de courte durée se comportent comme de mini-aimants, chacune possédant son propre champ magnétique. La force de cet aimant est ajustée par un étrange effet de la physique quantique. L'espace vide est rempli d'un tourbillon constant de particules qui apparaissent temporairement avant de disparaître. Connues sous le nom de particules "virtuelles", elles ont des effets bien réels. Ces particules transitoires modifient la force de l'aimant du muon d'une quantité qui peut être calculée selon le modèle standard.

La valeur précise de cette modification, appelée moment magnétique anormal ou "g-2" dans les équations de physique, est ce qui a dérouté les physiciens.

De manière intéressante, des particules inconnues de la science pourraient modifier la valeur de g-2 mesurée par les scientifiques. Ainsi, les indices précédents d'un désaccord avec les prédictions du modèle standard ont suscité une agitation parmi les physiciens.

"Le comportement des muons que nous mesurons est affecté par toutes les forces et toutes les particules de l'univers", explique Brynn MacCoy, chercheuse de Muon g-2 et physicienne à l'Université de Washington à Seattle. "Cela nous donne essentiellement une fenêtre directe sur le fonctionnement de l'univers."

La première indication d'une différence entre la prédiction et les mesures de g-2 provenait d'une expérience réalisée il y a plus de deux décennies au Brookhaven National Laboratory à Upton, dans l'État de New York. Puis, en 2021, l'expérience Muon g-2, basée à Fermilab, a fait état de ses premiers résultats, confirmant cette divergence.

Maintenant, Muon g-2 a doublé la précision de sa mesure du magnétisme lors d'une mise à jour, ont rapporté les chercheurs lors du séminaire de Fermilab et dans un document publié le 10 août sur le site web de la collaboration Muon g-2.

"Atteindre ce niveau de précision est vraiment sans précédent et très impressionnant", déclare le physicien Carlos Wagner de l'Université de Chicago, qui n'était pas impliqué dans l'expérience. "Je suis simplement émerveillé." La nouvelle mesure intègre quatre fois plus de données que la précédente, parmi d'autres améliorations qui ont renforcé la précision.

Les scientifiques cherchent à comparer cette valeur mesurée à la prédiction du modèle standard. Mais déterminer exactement ce que prédit le modèle standard est compliqué.

Recevez un excellent journalisme scientifique, de la source la plus fiable, livré à votre porte.

En 2020, après une réflexion minutieuse, un groupe de physiciens théoriciens appelé Muon g-2 Theory Initiative est parvenu à une prédiction consensuelle qu'ils pouvaient comparer avec les mesures. Mais depuis lors, de nouvelles informations contradictoires sont issues d'autres expériences et calculs théoriques, détaillées dans une déclaration publiée le 9 août sur le site web de Muon g-2 Theory Initiative. Ces informations ont rendu la prédiction incertaine.

"Il n'est pas possible de comparer à ce stade et de dire si le modèle standard est en accord ou en désaccord avec l'expérience", déclare le physicien théoricien Tom Blum de l'Université du Connecticut à Storrs.

La confusion repose sur un élément particulièrement difficile du calcul de g-2. Connu sous le nom de polarisation du vide hadronique, il désigne l'ajustement résultant d'un photon virtuel émis par le muon qui se divise en un quark et son partenaire d'antimatière, un antiquark. Les quarks sont une classe de particules qui constituent des particules plus grosses connues sous le nom d'hadrons, comprenant des protons et des neutrons. Le quark et l'antiquark interagissent avant d'annihiler en émettant à nouveau un photon virtuel.

Scientists have come up with two main ways of calculating this hadronic vacuum polarization term. The conventional way involves using certain experimental data as an input to the calculation. Those data come from experiments that measure how electrons and their antimatter particles, positrons, collide and produce hadrons. The results of such experiments are thought to be well understood.

But a recent experiment, CMD-3, at the VEPP-2000 particle collider in Novosibirsk, Russia, disagrees with those other experiments, researchers reported in February at arXiv.org. If this one outlier is correct, that would suggest that the hints of disagreement between muon measurements and the prediction might be weaker than thought.

A second way of estimating the thorny hadronic vacuum polarization term uses a method called lattice quantum chromodynamics. That technique involves mathematically splitting up spacetime into a grid in order to make calculations more tractable. Scientists have only recently managed to make such calculations precise enough for useful comparisons.

In 2021, a group nicknamed “BMW” published their calculation of the hadronic vacuum polarization contribution in Nature. That estimate pointed to a closer harmony between the prediction and measurement of g−2 and disagreed with the data-driven approach. But the technique demanded confirmation. Since then, other scientists have performed their own lattice calculations to check a portion of the BMW result. Those teams obtained similar results to BMW, boosting confidence in the lattice method.

The focus has now shifted away from scrutinizing the experimental measurement and is instead aimed at analyzing the disagreement among different theoretical techniques.

“The experiment has delivered,” says theoretical physicist Thomas Teubner of the University of Liverpool in England, a member of the Muon g−2 collaboration. Now, to figure out if muons are keeping with the standard model or cracking it, it’s up to the theoretical physicists, he says. “We have to get our house in order.”