Qu’est-ce que c’est à propos d’une expérience sur les muons qui pourrait potentiellement renverser le modèle standard de physique? Nous parlons à l’un des scientifiques impliqués

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  • Les physiciens sont cette semaine étourdis d’excitation après une expérience de dix ans sur le fonctionnement interne d’un muon, un type de particule similaire à l’électron, laisse entendre qu’il pourrait y avoir une autre particule fondamentale ou force à découvrir.

    L’expérience Muon g-2, lancée au Laboratoire national des accélérateurs Fermi du département américain de l’énergie en 2011, semble confirmer ce que les chercheurs soupçonnaient depuis longtemps: le modèle standard de la physique des particules pourrait être incomplet.

    Le modèle standard décrit comment les quatre forces fondamentales de l’univers – les forces électromagnétiques, fortes, faibles et gravitationnelles – fonctionnent en termes d’interactions avec les particules. Les physiciens devraient être capables de prédire comment les particules se comportent et quelles propriétés elles devraient avoir avec précision avec le modèle si celui-ci est effectivement correct.

    Mais les premiers résultats de l’expérience ont montré que le muon, une particule que l’on trouve généralement dans les rayons cosmiques, est un tout petit peu plus magnétique que le modèle ne le prédit.

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    Comme leurs cousins ​​électroniques, les muons ont un spin et un moment magnétique. Lorsque les muons sont placés dans un champ magnétique puissant, ils oscillent ainsi autour d’un axe et se comportent comme une toupie. La vitesse à laquelle une personne oscille, ou précession, est liée à son moment magnétique.

    Les physiciens peuvent utiliser les observations des oscillations pour déterminer le facteur g des muons, qui est le rapport entre leur moment magnétique et leur spin. Les résultats de l’expérience Muon g-2 montrent que le facteur g est plus grand que ce que le modèle standard dit qu’il devrait être.

    Certaines variations du facteur g sont attendues, mais l’écart est supérieur à ce que le modèle standard prédit, ce qui suggère que quelque chose d’autre inconnu et peut-être fondamental est en jeu.

    Bien que la différence soit minime, elle a des conséquences importantes, a expliqué David Kawall, professeur de physique à l’Université du Massachusetts à Amherst, qui a participé à l’expérience. Le registre.

    «Le taux de précession peut être prédit très précisément, en connaissant la charge électrique et la masse du muon, ainsi que la force du champ magnétique de stockage», a-t-il déclaré. «La partie intéressante est que le taux de précession dépend également des interactions du muon avec les autres particules du modèle standard.

    «Le muon n’est jamais vraiment seul dans le vide, il interagit avec une mer de particules virtuelles qui apparaissent et disparaissent de l’existence. Ces interactions modifient efficacement la force de l’aimant interne du muon. Les théoriciens peuvent prédire l’influence des particules connues sur les propriétés magnétiques du muon. En comparant soigneusement les propriétés magnétiques observées du muon avec les propriétés prédites, nous pouvons tester si la théorie est complète – ou si quelque chose a été oublié. “

    Alors, quel est le problème?

    Étant donné que la force du champ magnétique du muon est plus grande que prévu, cela suggère qu’il pourrait interagir avec des particules ou un type de force que les physiciens ne connaissent pas encore.

    Pour le moment, cependant, ils hésitent à le confirmer. «C’est une perspective passionnante, mais trop tôt pour le dire définitivement», nous a dit le professeur Kawall.

    Il faut dire que nous savons que le modèle standard est incomplet. Par exemple, nous sommes convaincus de l’existence de la matière noire, mais elle ne rentre pas dans le modèle standard. Nous avons donc besoin d’une théorie plus complète

    «Il faut dire que nous savons que le modèle standard est incomplet. Par exemple, nous sommes convaincus de l’existence de la matière noire, mais elle ne rentre pas dans le modèle standard. Nous avons donc besoin d’une théorie plus complète, et ces théories ont naturellement tendance à inclure de nouvelles particules qui pourraient être à l’origine de la différence observée dans le résultat du Laboratoire Fermi entre la prédiction et l’expérience.

    Pour ce que cela vaut, l’équipe de l’expérience de 200 physiciens dans 35 établissements universitaires de sept pays n’a analysé que 6% des résultats de l’expérience. Plus précisément, ils ont analysé le mouvement d’environ huit milliards de muons.

    Et le test est toujours en cours. Il s’agit de former un faisceau énergétique de muons en écrasant des protons ensemble dans un accélérateur.

    Le faisceau de muons est ensuite canalisé dans un anneau de stockage constitué d’un aimant supraconducteur mesurant 50 pieds de diamètre. Les particules circulent et se désintègrent en combinaisons de particules, y compris des positrons.

    Ces positrons transportent des informations sur les muons, et en mesurant la vitesse à laquelle ces positrons sont produits ainsi que leurs énergies, les chercheurs peuvent mesurer le degré d’oscillation des muons. Cette valeur donne à l’équipe une pièce vitale du puzzle pour calculer le facteur g des muons.

    Une vidéo de huit minutes du laboratoire national décrivant le travail est ci-dessous, ou vous pouvez assister à un séminaire scientifique de 75 minutes sur les résultats ici.

    Vidéo Youtube

    Ce qui rend exactement un muon plus magnétique que prévu reste un mystère que les boffins tentent toujours de comprendre.

    «Idéalement, nous aurons un deuxième résultat d’ici un an, de sorte que les incertitudes devraient être réduites, peut-être par un facteur de deux environ», a déclaré le professeur Kawall. “Nous prenons toujours des données, et atteindre l’objectif d’un facteur quatre d’amélioration par rapport au résultat de Brookhaven est encore dans au moins trois ans. La bonne nouvelle est que l’expérience fonctionne très bien, nous avons juste besoin de plus de données.”

    Quant à l’utilité de ces informations à l’heure actuelle, le professeur nous a dit:

    “Je pense aussi qu’il y a quelque chose de passionnant dans toute cette entreprise”, a-t-il conclu, “que nous pouvons faire des prédictions sur le monde physique avec une précision stupéfiante, mais un problème à la huitième décimale pourrait en fait être un tremblement de terre qui nécessite un nouveau paradigme. ” ®

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