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Cette particule qui semble désobéir aux lois connues de la physique

L'anneau Muon g-2, au Laboratoire national des accélérateurs Fermi à Batavia, Illinois. Crédits : Reidar Hahn / Fermilab, via US Department of Energy

Les résultats très attendus d’une expérience sont arrivés, et ils pourraient être sur le point de révolutionner la physique telle que nous la connaissons.

On les appelle parfois “gros électrons”. Les muons sont effectivement similaires à leurs cousins ​​plus connus. En revanche, ils sont 200 fois plus lourds et radioactivement instables – se désintégrant en seulement un millionième de seconde en électrons et en minuscules particules fantomatiques sans charge appelées neutrinos. Les muons développent également une propriété appelée “spin”. Concrètement, ils se comportent comme de minuscules aimants, vacillant comme de petits gyroscopes une fois plongés dans un champ magnétique.

Prédictions et résultats ne concordent pas

En mécanique quantique, les règles non intuitives qui sous-tendent le royaume atomique, l’espace vide ne l’est pas vraiment. En réalité, il bouillonne de particules “virtuelles” qui entrent et sortent de l’existence. Cet entourage influence le comportement des particules existantes, y compris une propriété du muon : son moment magnétique, représenté dans les équations par un facteur appelé g.

Selon une formule dérivée en 1928 par Paul Dirac, fondateur de la théorie quantique, le facteur g d’un muon solitaire devrait être de 2. Or, on vient de le dire, les muons ne sont pas seuls. Donc la formule doit être corrigée pour considérer le bourdonnement quantique provenant de toutes les autres particules potentielles de l’Univers. Cela conduit le facteur g du muon à être supérieur à 2.

Dans le cadre d’une récente expérience très attendue menée au Laboratoire Fermi dans l’Illinois (États-Unis), baptisée Muon g-2, une équipe internationale de 200 physiciens de sept pays, pilotée par le Dr Polly, a tiré des muons à travers un champ magnétique intense. Ce que nous annonce aujourd’hui cette équipe, c’est que les muons ne se sont pas comporté pas comme prévu, vacillant beaucoup plus que ce que les calculs avaient prédit.

Autrement dit, cette minuscule particule subatomique semble désobéir aux lois connues de la physique. Ces résultats concordent également avec ceux des expériences similaires menées au Brookhaven National Laboratory en 2001, qui taquinaient les physiciens depuis.

Notez que les chercheurs du Laboratoire Fermi sont également convaincus que ces résultats ne sont pas issus d’un coup de chance statistique. Leur seuil de confiance est en effet fixé à 4,2 sigma, qui est incroyablement proche du seuil de 5 sigma qui ne soulève plus aucun doute. À titre d’information, un résultat de 5 sigma suggère qu’il y a 1 chance sur 3,5 millions qu’un résultat obtenu soit le produit du hasard.

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Laboratoire national des accélérateurs Fermi, ou Fermilab, à Batavia, dans l’Illinois, où la recherche est menée. Crédits : Reidar Hahn/ Fermilab, via US Department of Energy

Un modèle standard mis à l’épreuve

Pendant des décennies, les physiciens se sont appuyés sur le modèle standard, la suite d’équations qui énumère les particules fondamentales de l’Univers (17 au dernier décompte) et définit la manière dont elles interagissent. Mais si ce modèle a permis d’expliquer avec succès les résultats de nombreuses expériences sur des particules à haute énergie, il ne permet pas de TOUT expliquer. Certaines questions profondes sur l’Univers restent en effet encore sans réponses.

Cette nouvelle expérience le prouve encore. Le comportement des muons pose effectivement un nouveau défi de taille à ce modèle. « C’est une preuve solide que le muon est sensible à quelque chose qui n’intègre pas notre meilleure théorie », résume ainsi Renee Fatemi, physicienne à l’Université du Kentucky. La grande question est donc : quelles sont ces formes de matière et d’énergie vitales pour la nature et l’évolution du cosmos qui ne sont pas encore connues de la science ?

Ces résultats sont bientôt publiés dans une série d’articles soumis à plusieurs revues à comité de lecture. D’autres seront également communiqués. Ces nouveaux travaux ne représentent que 6 % du total des données que cette expérience sur les muons devrait recueillir dans les années à venir.