Le magnétisme des muons est toujours fort. Sa mesure la plus précise à ce jour s’aligne sur une série de découvertes antérieures – et elle scelle une contradiction embarrassante avec des décennies de calculs théoriques qui prédisaient un magnétisme légèrement plus faible pour une particule élémentaire.

Mais bien que le comportement étrange du muon – un cousin plus lourd de l’électron – ait été autrefois considéré comme un signe avant-coureur possible d’une nouvelle physique, les résultats des deux dernières années suggèrent que le côté théorique n’a peut-être pas besoin de modifications majeures après tout.

muon g Deux expériences au Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) à l’extérieur de Chicago, Illinois, ont doublé la précision d’une précédente mesure du moment magnétique du muon, rapportée il y a deux ans. « Nous semblons confirmer cette mesure antérieure – et fondamentalement, nous avions raison », déclare Moon. g Svendi Brown, physicien à l’Université de Washington à Seattle. L’équipe a annoncé sa dernière mise à jour lors d’une webdiffusion le 10 août et a soumis un article à Lettres d’examen physique.

La résolution améliorée est une « grande réussite », déclare Zoltan Fodor, un physicien théoricien de la Penn State University à University Park qui a vu une première version décrivant le muon g – 2 résultats.

anomalie

Les muons sont similaires aux électrons, mais 207 fois plus massifs. Ils sont également instables : ils sont créés lors de collisions de particules et se désintègrent peu après en leurs cousins ​​plus légers.

Le magnétisme du muon provient principalement du fait que la particule a une charge électrique et qu’elle tourne sur elle-même. Ces deux facteurs se combinent pour amener la particule à se comporter comme un minuscule barreau magnétique, avec une intensité de champ déterminée par la physique quantique comme étant égale à 2, dans les unités appropriées. Ce champ magnétique est renforcé par des « particules virtuelles » qui émergent de l’espace vide pour disparaître après une fraction de seconde. Les physiciens appellent l’aberration la valeur « vanille » de 2 comme g – 2.

En principe, le modèle standard de la physique des particules prédit comment chaque type de particule contribuera à l’univers g – 2 via les avatars par défaut. Mais il n’existe aucun moyen connu de calculer cela exactement, et même les calculs approximatifs sont assez compliqués. Pendant des décennies, les physiciens ont complété la théorie avec des données du monde réel sur des particules hypothétiques provenant d’expériences de collisionneurs pour obtenir une valeur prédite pour g – 2.

En 2001, elle a mené une expérience au Brookhaven National Laboratory à Upton, New York, la mesure la plus précise à ce jour du magnétisme d’un muon.¹, et a constaté qu’il s’écartait des attentes théoriques de l’état de l’art de l’époque. Pour étudier cette divergence, les physiciens ont reconstruit l’expérience Brookhaven du laboratoire Fermi, qui impliquait le transport d’un aimant circulaire de 15 mètres de large vers l’Illinois à l’aide de barges et de camions spéciaux.

Muon redémarrage g Deux essais ont commencé à collecter des données en 2018 et à rapporter les résultats en 2021.¹ C’était une analyse de ce premier lot de données, et cela a confirmé les résultats de Brookhaven. Le résultat d’aujourd’hui inclut les données de deux processus supplémentaires, de 2019 et 2020. Les auteurs estiment la barre d’erreur à leur valeur g – 2 pour n’être plus que 201 parties par milliard.

À partir de projections standard basées uniquement sur des données, la mesure la plus récente de g -#2 peut sembler s’écarter de la théorie (telle que récemment mise à jour en 2020²) à environ deux parties par million. La diminution de l’incertitude supprimerait, pour la première fois, la barre des « cinq sigma » que les physiciens des particules placent habituellement pour revendiquer une découverte.

Mais à commencer par les découvertes de Fodor et ses collègues en 2021³une technologie informatique alternative g -2 est apparu, qui ne nécessite pas de données de collisionneur et utilise à la place des simulations informatiques. Quand Muon g La mesure 2 est comparée à cette nouvelle attente, et l’écart disparaît essentiellement. Plusieurs autres équipes ont poursuivi avec leurs simulations informatiques, qui ont d’abord convergé avec celles du groupe de Fodor. La scientifique du Fermilab Ruth van de Water, membre senior d’un de ces groupes, dit qu’elle s’attend à régler tout désaccord en cours « dans un an ou deux ».

nouvelle tournure

Un résultat expérimental distinct, publié plus tôt cette année sur arXiv⁴, a donné une tournure inattendue à l’histoire. Les données des collisions d’électrons et de leurs antiparticules, les positrons, d’une expérience d’accélérateur appelée CMD-3 à Novosibirsk, en Russie, semblent différer de celles d’autres collisionneurs électron-positon. Lorsqu’elles sont introduites dans des calculs théoriques pour g – 2, eux aussi font disparaître la contradiction.

De plus, les expériences précédentes sur les électrons et les positrons n’étaient pas toutes parfaitement compatibles les unes avec les autres, souligne van de Water. « À ce stade, je prendrais des estimations basées sur des données avec une certaine prudence jusqu’à ce que les choses soient triées », dit-elle.

« Malheureusement, nous ne savons pas pour le moment d’où vient cette différence, et c’est le principal problème que nous devons comprendre », déclare Fedor Ignatov, physicien du CMD-3 à l’Institut Bodker de physique nucléaire de Novossibirsk, en Russie. Une possibilité est que certaines des expériences précédentes n’aient pas pleinement pris en compte leurs propriétés de détection.

Étant donné que les trois opérations de prise de données incluses dans la dernière version de Muon g – deux analyses, l’expérience a été réalisée trois fois de plus; La sixième et dernière étape s’est achevée le 9 juillet, explique Peter Winter, physicien au Laboratoire national d’Argonne à Lemont, Illinois, et co-auteur de l’expérience. La collaboration s’attend à ce que sa mesure réduise son incertitude à 0,14 ppm au moment où elle publiera ses résultats définitifs dans quelques années.