Wilson Hall, bâtiment central du laboratoire au cœur du site du Fermilab Photo: Reidar Hahn / Fermilab

Lorsque les résultats de l’expérience ne correspondent pas aux attentes de la meilleure théorie de la journée, cela signifie que quelque chose ne va pas

Il y a quinze ans, des physiciens du Brookhaven National Laboratory ont découvert quelque chose de déroutant selon lequel les muons – un type de particule subatomique – se déplaçaient de manière inattendue qui ne correspondait pas aux attentes théoriques. La théorie était-elle erronée? L’expérience a-t-elle été perturbée? Cependant, curieusement, était-ce la preuve d’une nouvelle physique?

Un groupe de Fermilab a abordé le côté expérimental et le 7 avril 2021, a publié des résultats confirmant la mesure originale, mais mes collègues et nous avons adopté une approche différente

Je suis physicien théoricien, porte-parole et l’un des coordinateurs de la collaboration Budapest-Marseille-Wuppertal. Il s’agit d’une collaboration à grande échelle de physiciens qui ont essayé de savoir si l’ancienne prédiction théorique n’était pas correcte. Nous avons utilisé une nouvelle méthode pour calculer comment les muons interagissent avec les champs magnétiques

La prédiction théorique de mon équipe diffère de la théorie originale et correspond à la fois aux anciennes preuves expérimentales et aux nouvelles données du Laboratoire Fermi Si notre calcul est correct, il résout le décalage entre la théorie et l’expérience et suggère qu’il n’y a pas de force de la nature non découverte

Notre résultat a été publié dans Nature le 7 avril 2021, le jour même de la parution des nouveaux résultats expérimentaux.

Le muon est la sœur de l’électron, les muons lourds et instables sont partout autour de nous et ils apparaissent, par exemple, lorsque les rayons cosmiques entrent en collision avec des particules dans l’atmosphère terrestre. Ils sont capables de traverser la matière, et les chercheurs ont les a utilisés pour sonder les parties intérieures inaccessibles aux volcans géants jusqu’aux pyramides égyptiennes

Les muons, comme les électrons, ont une charge électrique et génèrent de petits champs magnétiques appelés force et direction de ce champ magnétique par le moment magnétique

Presque tout dans l’univers – de la façon dont les atomes sont construits au fonctionnement de votre téléphone portable en passant par la façon dont les galaxies se déplacent – peut être décrit par quatre interactions que vous connaissez probablement les deux premières: la gravité et l’électromagnétisme et la troisième étant la faiblesse interaction responsable de la désintégration radioactive Enfin, une forte interaction, une force qui lient les protons et les neutrons dans le noyau atomique ensemble. Les physiciens appellent ce cadre – moins la gravité – le modèle standard de la physique des particules

Toutes les réactions du modèle standard contribuent au moment magnétique du muon, et chacune le fait de différentes manières. Les physiciens savent précisément comment l’électromagnétisme et l’interaction faible le font, mais déterminent comment l’interaction forte contribue à le champ magnétique d’un muon s’est avéré extrêmement difficile.

De tous les effets d’une forte interaction sur le moment magnétique d’un muon, le plus grand et le plus difficile à calculer avec la précision nécessaire est appelé polarisation spatiale hadronique pionnière.

Dans le passé, pour calculer cet effet, les physiciens utilisaient une approche expérimentale – théoriquement hybride collectera les données des collisions entre électrons et positrons – l’opposé des électrons – et les utilisait pour calculer la contribution de l’interaction forte au moment magnétique d’un Les physiciens utilisent cette approche pour affiner davantage l’estimation pour des décennies de résultats plus récents à partir de 2020 et ont produit une estimation très précise

Ce calcul du moment magnétique est ce que les physiciens expérimentaux testent depuis des décennies, jusqu’au 7 avril 2021. Le résultat expérimental le plus précis était de 15 ans pour cette mesure. Magnétique utilisant un électroaimant géant de 15 m (50 pieds)

En mesurant la façon dont les muons se déplacent et se désintègrent, ils ont pu mesurer directement le moment magnétique du muon.C’était assez surprenant lorsque la mesure directe de Broohaven en 2006 du moment magnétique du muon était plus grande qu’elle n’aurait dû l’être selon la théorie .

Face à cette contradiction, il y avait trois options: soit la prédiction théorique était incorrecte, l’expérience était incorrecte, soit, comme le pensent de nombreux physiciens, c’était le signe d’une force inconnue de la nature.

Mes collègues et moi avons choisi de poursuivre la première option: la théorie peut être incorrecte d’une certaine manière. Par conséquent, nous avons décidé d’essayer de trouver une meilleure façon de calculer la prédiction. Notre équipe de physiciens a pris les équations de base les plus simples pour le forte interaction, placez les équations sur le réseau spatio-temporel et résolvez-en autant que possible à la fois. / p>

Cette technique est similaire à la création de prévisions météorologiques lorsque des avions commerciaux volent sur leur route. Ils mesurent la pression, la température et la vitesse du vent à des points spécifiques de la Terre. De même, nous plaçons l’équation d’interaction forte sur une grille spatio-temporelle. les données météorologiques sont ensuite placées à des points individuels dans un supercalculateur qui recueille toutes les données pour prédire l’évolution de la météo

Notre équipe a mis de puissantes forces d’interaction sur le réseau et a cherché le développement de ces champs. Plus il y a d’aéronefs collectant des données, meilleure est la prédiction. Dans cette métaphore, nous avons utilisé des milliards d’avions pour calculer le moment magnétique le plus précis que nous peut utiliser des millions d’heures de traitement informatique dans de nombreux centres informatiques. Le géant en Europe

Notre nouvelle approche aboutit à une estimation de la force du champ magnétique du muon qui correspond étroitement à la valeur expérimentale mesurée par les scientifiques de Brookhaven. Elle comble essentiellement l’écart entre la théorie et les mesures expérimentales et, si elle est correcte, confirme le modèle standard qui a guidé la physique des particules pendant des décennies

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Mais mes collègues et moi n’avons pas été les seuls à poursuivre ce casse-tête. D’autres scientifiques, comme celui du Fermilab, un accélérateur de particules près de Chicago, ont choisi de tester la deuxième option: que l’expérience était terminée

Au Laboratoire Fermi, les physiciens ont continué l’expérience qui a été faite à Brookhaven. Pour obtenir une mesure expérimentale plus précise du moment magnétique des muons, ils ont utilisé une source de muons plus intense qui leur a donné un résultat plus précis L’ancienne mesure correspondait presque parfaitement

Les résultats du Laboratoire Fermi indiquent fortement que les mesures expérimentales sont correctes La nouvelle prédiction théorique que mes collègues et moi avons faite correspond à ces résultats expérimentaux Bien qu’il puisse être intéressant de découvrir des indices de nouvelle physique, notre nouvelle théorie semble dire que le modèle standard le temps presse encore

Un mystère demeure: l’écart entre la prédiction originale et le nouveau résultat théorique. Mon équipe et moi pensons que notre équipe est correcte, mais notre résultat est le premier du genre comme toujours en science, d’autres calculs doivent être faits pour confirmer ou réfutez-le

Cet article a été initialement publié par The Conversation et est reproduit ici sous une licence Creative Commons

Physique, Laboratoire Fermi, Muon, Muon g-2, Modèle Standard

Actualités – CA – Un nouveau calcul suggère que la preuve de la nouvelle physique du Laboratoire Fermi pourrait être fausse – The Wire Science

Source: https://science.thewire.in/the-sciences/new-calculation-suggests-proof-of-new-physics-at-fermilab-may-be-wrong/

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