Ce n’est pas le prochain boson de Higgs – pour le moment Mais la meilleure explication, disent les physiciens, concerne des formes de matière et d’énergie qui ne sont actuellement pas connues de la science.

Il est de plus en plus évident qu’une minuscule particule subatomique appelée muon désobéit aux lois de la physique telles que nous pensions les connaître, ont annoncé mercredi des scientifiques.

La meilleure explication, disent les physiciens, est que le muon est influencé par des formes de matière et d’énergie qui ne sont pas encore connues de la science, mais qui peuvent néanmoins affecter la nature et l’évolution de l’univers Le nouveau travail, ont-ils dit, pourrait éventuellement conduire à une percée dans notre compréhension de l’univers plus dramatique que la découverte annoncée en 2012 du boson de Higgs, une particule qui imprègne d’autres particules de masse.

Les muons s’apparentent à des électrons mais beaucoup plus lourds Lorsque les muons ont été soumis à un champ magnétique intense dans des expériences effectuées au Laboratoire national d’accélérateur Fermi, ou Fermilab, à Batavia, Ill, ils vacillaient comme des toupies d’une manière légèrement mais obstinément et inexplicablement incompatible avec les calculs les plus précis actuellement disponibles Les résultats ont confirmé les résultats d’expériences similaires au Brookhaven National Laboratory en 2001 qui ont depuis lors fasciné les physiciens.

“Cette quantité que nous mesurons reflète les interactions du muon avec tout le reste de l’univers”, a déclaré Renee Fatemi, physicienne à l’Université du Kentucky. «C’est une preuve solide que le muon est sensible à quelque chose qui n’est pas dans notre meilleure théorie”

Dr Fatemi fait partie d’une équipe internationale de 200 physiciens de 35 institutions et sept pays qui ont mené l’expérience, appelée Muon g-2, et qui ont annoncé leurs premières découvertes lors d’un séminaire virtuel et d’une conférence de presse mercredi. Les résultats sont également publiés dans un ensemble d’articles soumis à Physical Review Letters, Physical Review A, Physical Review D et Physical Review Accelerators and Beams

«Aujourd’hui est une journée extraordinaire, attendue depuis longtemps non seulement par nous, mais par toute la communauté internationale de la physique», a déclaré Graziano Venanzoni, porte-parole de la collaboration Muon g-2 et physicien à l’Institut national italien de physique nucléaire. dans une déclaration publiée par Fermilab

Chris Polly du Fermilab, l’autre porte-parole de l’équipe, a déclaré: «C’est tellement gratifiant de finalement résoudre ce mystère”

Les mesures ont environ une chance sur 40 000 d’être un coup de chance, ont rapporté les scientifiques, un statut statistique appelé «42 sigma”C’est encore loin de l’étalon-or -” 5 sigma “, soit environ trois parties sur un million – nécessaire pour revendiquer une découverte officielle selon les normes de la physique Les signaux prometteurs disparaissent tout le temps dans la science, mais d’autres données sont en route qui pourraient faire passer leur étude au-dessus. Les résultats de mercredi ne représentent que 6% du total des données que l’expérience sur les muons devrait recueillir dans les années à venir

Ces données pourraient donner un coup de pouce majeur aux physiciens des particules désireux de construire la prochaine génération d’accélérateurs coûteux

“Cela nous aidera à comprendre des choses que nous ne savons pas encore”, a déclaré Marcela Carena, responsable de la physique théorique au Laboratoire Fermi, qui ne faisait pas partie de l’expérience

Pendant des décennies, les physiciens se sont appuyés sur une merveille mathématique d’une théorie appelée le modèle standard, qui explique avec succès les résultats d’expériences sur des particules à haute énergie dans des endroits comme le grand collisionneur de hadrons du CERN. Mais le modèle laisse sans réponse des questions profondes sur l’univers: qu’est-ce que la matière noire exactement, la substance invisible qui, selon les astronomes, représente un quart de l’univers en masse? En effet, pourquoi y a-t-il de la matière dans l’univers?

La plupart des physiciens pensent qu’une riche mine de nouvelles physiques attend d’être trouvée, si seulement ils pouvaient voir de plus en plus loin

Des candidats théoriques sont apparus au fil des ans: des particules massives qui entrent dans la rubrique de la supersymétrie; mèches légères appelées axions; des particules familières cachées dans des dimensions cachées; et plus

Dans un e-mail, Nima Arkani-Hamed, une théoricienne des particules à l’Institute for Advanced Study de Princeton qui n’a pas participé à l’expérience du Laboratoire Fermi, a qualifié le résultat de «plus intrigant!» La précision des mesures était «exquise» et les efforts des théoriciens «héroïques», a-t-il dit, ajoutant: «La situation devrait être clarifiée de manière décisive dans les années à venir; le résultat du Laboratoire Fermi nous a certainement tous attirés l’attention! »

Fabiola Gianotti, la directrice générale du CERN, a adressé ses félicitations en disant: «La déviation du comportement du muon par rapport aux attentes du modèle standard est vraiment intrigante, et nous espérons que plus de données et de meilleurs calculs théoriques confirmeront que la cause est une nouvelle physique”

Dr Carena a déclaré: «Je suis très excitée J’ai l’impression que cette minuscule oscillation peut ébranler les fondations de ce que nous pensions savoir”

Les muons sont une particule improbable pour occuper le devant de la scène en physique Parfois appelés «électrons gras», ils ressemblent aux particules élémentaires familières qui alimentent nos batteries, nos lumières et nos ordinateurs et tournent autour des noyaux des atomes; ils ont une charge électrique négative et ils tournent, ce qui les fait se comporter comme de minuscules aimants Mais ils sont 207 fois plus massifs que leurs cousins ​​plus connus Ils sont également instables, se désintégrant radioactivement en électrons et en particules ultra-légères appelées neutrinos en 2.2 millionièmes de seconde

Le rôle que jouent les muons dans le schéma général de création reste un casse-tête “Qui a commandé ça?” le physicien de l’Université Columbia Ije Rabi a dit quand ils ont été découverts pour la première fois en 1936 Les particules sont produites copieusement dans des endroits comme le grand collisionneur de hadrons lorsque des particules plus ordinaires s’écrasent ensemble à des énergies élevées

Les muons ont récemment glissé sur le devant de la scène grâce à une bizarrerie de la mécanique quantique, les règles non intuitives qui sous-tendent le royaume atomique et toute la technologie moderne

Entre autres choses, la théorie quantique soutient que l’espace vide n’est pas vraiment vide mais bouillonne en fait de particules «virtuelles» qui flottent dans et hors de l’existence.

“Vous pourriez penser qu’il est possible qu’une particule soit seule au monde,” le Dr Polly a déclaré dans une déclaration biographique publiée par Fermilab «Vous pourriez penser que les parties les plus profondes et les plus sombres de l’espace sont un environnement très solitaire pour les particules Mais en fait, ce n’est pas du tout solitaire En raison du monde quantique, nous savons que chaque particule est entourée d’un entourage d’autres particules”

Selon la théorie, tout ce qui est permis par les lois de la nature peut et va apparaître et disparaître, chatouillant des particules telles que des muons et influençant leur comportement

Cela affecte une propriété du muon appelée son moment magnétique, notée dans les équations par g Selon une formule dérivée en 1928 par Paul Dirac, physicien théoricien anglais et fondateur de la théorie quantique, le moment magnétique d’un muon solitaire devrait être de 2

Mais un muon n’est jamais seul La formule de Dirac doit donc être corrigée pour le bourdonnement quantique provenant de toutes les autres particules potentielles de l’univers Cela conduit le facteur g du muon à être inférieur à 2, d’où le nom de l’expérience: Muon g-2

La mesure dans laquelle g-2 s’écarte des prédictions théoriques est une indication de ce que l’univers est encore inconnu.

En 1998, des physiciens de Brookhaven ont entrepris d’explorer cette ignorance cosmique en mesurant g-2 Le groupe comprenait le Dr Polly, alors étudiante diplômée; il a fait sa marque, quand les choses n’allaient pas bien, en découvrant que certains détecteurs délicats avaient été maculés d’empreintes digitales

Dans l’expérience, un accélérateur appelé Synchrotron à gradient alterné a créé des faisceaux de muons et les a envoyés dans un anneau de stockage de 15 mètres de large, une piste de course géante contrôlée par des aimants supraconducteurs.

La valeur de g qu’ils ont obtenue était suffisamment en désaccord avec la prédiction du modèle standard pour exciter l’imagination des physiciens – mais sans assez de certitude pour revendiquer une découverte solide De plus, compte tenu de la difficulté de ce travail, les experts n’ont pas pu se mettre d’accord sur les prévisions exactes du modèle standard, ce qui trouble encore plus l’espoir.

À l’époque, refaire l’expérience n’aurait pas augmenté suffisamment la précision pour justifier le coût, Dr Carena a déclaré, et en 2001, Brookhaven a retiré l’anneau de stockage de muons de 50 pieds L’univers a été laissé en suspens

Entrez dans Fermilab, où un nouveau campus dédié aux muons était en cours de construction pour remplacer le Tevatron – le plus grand collisionneur de particules du monde à l’époque, mais destiné à être remplacé par le Grand collisionneur de hadrons du CERN en 2009

“Cela a ouvert un monde de possibilités,” le Dr Polly a rappelé dans son article biographique À ce moment-là, le Dr Polly travaillait au Fermilab; lui et ses collègues pourraient y refaire l’expérience g-2, cette fois avec plus de précision Il est devenu le chef de projet de l’expérience

Pour faire l’expérience, cependant, ils avaient besoin du circuit magnétique de 50 pieds de Brookhaven. Et donc en 2013, l’aimant a parcouru une odyssée de 3200 milles, principalement en barge, sur la côte est, autour de la Floride et sur le fleuve Mississippi, puis en camion à travers l’Illinois jusqu’à Batavia, domicile du Fermilab.

L’aimant ressemblait à une soucoupe volante, et il a attiré l’attention car il a été conduit vers le sud à travers Long Island à 10 miles par heure Il y avait des rumeurs selon lesquelles un vaisseau spatial avait atterri à Brookhaven, le Dr Polly a écrit: «J’ai marché et j’ai parlé aux gens de la science que nous faisions Le déplacer à travers la banlieue de Chicago jusqu’au Fermilab a offert une autre chance de sensibilisation Il est resté plus d’une nuit dans un parking Costco Plus d’un millier de personnes sont venues le voir et ont entendu parler de la science”

L’expérience a démarré en 2018 avec un faisceau de muons plus intense et l’objectif de compiler 20 fois plus de données que la version Brookhaven

Pendant ce temps, en 2020, un groupe de 170 experts connu sous le nom d’Initiative de théorie du Muon g-2 a publié une nouvelle valeur consensuelle de la valeur théorique du moment magnétique du muon, basée sur trois ans d’ateliers et de calculs utilisant le modèle standard. Cette réponse a renforcé l’écart initial signalé par Brookhaven

Jointe par téléphone lundi, Aida X El-Khardra, physicienne à l’Université de l’Illinois et coprésidente de la Muon g-2 Theory Initiative, a déclaré qu’elle ne connaissait pas le résultat que le Laboratoire Fermi annoncerait deux jours plus tard – et qu’elle ne voulait pas, de peur elle serait tentée de se faufiler dans une conférence prévue juste avant le dévoilement officiel mercredi

“Je n’ai jamais eu la sensation de m’asseoir sur des charbons ardents auparavant,” le Dr El-Khadra a dit «Nous attendons cela depuis longtemps”

Le jour de l’annonce du Laboratoire Fermi, un autre groupe, utilisant une technique différente connue sous le nom de calcul en treillis pour calculer le moment magnétique du muon, a conclu qu’il n’y avait pas de divergence entre la mesure de Brookhaven et le modèle standard

“Oui, nous affirmons qu’il n’y a pas de divergence entre le modèle standard et le résultat de Brookhaven, pas de nouvelle physique”, a déclaré Zoltan Fodor de la Pennsylvania State University, l’un des auteurs d’un rapport publié mercredi dans Nature.

Dr El-Khadra, qui connaissait ce travail, l’a qualifié de «calcul étonnant, mais pas concluant»Elle a noté que les calculs impliqués étaient horriblement compliqués, devant rendre compte de toutes les manières possibles d’interagir un muon avec l’univers, et exigeant des milliers de sous-calculs individuels et des centaines d’heures de temps de superordinateur.

Ces calculs de réseau, a-t-elle dit, devaient être vérifiés par rapport aux résultats indépendants d’autres groupes pour éliminer la possibilité d’erreurs systématiques. Pour l’instant, le calcul de Theory Initiative reste la norme par laquelle les mesures seront comparées

Le Laboratoire Fermi a dû s’adapter à une autre ride Pour éviter les préjugés humains – et pour éviter tout trucage – les expérimentateurs se sont engagés dans une pratique, appelée aveuglement, qui est commune aux grandes expériences Dans ce cas, l’horloge maîtresse qui garde la trace de l’oscillation des muons avait été réglée à un taux inconnu des chercheurs. La figurine a été scellée dans une paire d’enveloppes qui ont été enfermées dans le bureau de Joe Lykken, directeur adjoint de la recherche au Fermilab, et à l’Université de Washington à Seattle.

Lors d’une cérémonie en février 25 qui a été enregistré sur vidéo et regardé dans le monde entier sur Zoom, Dr Polly a ouvert l’enveloppe du Fermilab et David Hertzog de l’Université de Washington a ouvert l’enveloppe de Seattle Le numéro à l’intérieur a été entré dans une feuille de calcul, fournissant une clé pour toutes les données, et le résultat est apparu

«Cela a vraiment conduit à un moment vraiment excitant, car personne dans la collaboration ne connaissait la réponse avant le même moment», a déclaré Saskia Charity, une stagiaire postdoctorale du Fermilab qui travaillait à distance depuis Liverpool, en Angleterre, pendant la pandémie. «Nous avons donc tous découvert cela ensemble”

La première réaction, se souvient-elle, était la fierté d’avoir réussi à effectuer une mesure aussi difficile

La seconde était que les résultats du Laboratoire Fermi correspondaient aux résultats précédents de Brookhaven Les muons, ont-ils découvert, oscillaient plus vite que prévu, d’un peu moins de trois parties sur un milliard. C’était une excellente nouvelle pour les physiciens qui craignaient que le résultat de Brookhaven ne soit une anomalie qui s’évaporerait avec plus de données.

“Cela semble être une confirmation que Brookhaven n’était pas un hasard,” le Dr Carena, la théoricienne, a dit «Ils ont une réelle chance de briser le modèle standard”

L’anomalie du muon, ont déclaré les physiciens, leur a maintenant donné de nouvelles idées sur la façon de rechercher de nouvelles particules Dr Lykken et Dr Arkani-Hamed a noté que parmi les candidats potentiels se trouvaient des particules suffisamment légères pour être à la portée du grand collisionneur de hadrons ou de son successeur projeté. En effet, certaines ont peut-être déjà été enregistrées mais sont si rares qu’elles ne sont pas encore sorties du blizzard de données enregistrées par l’instrument

Une autre possibilité, défendue par Dan Hooper et Gordan Krnjaic, tous deux de Fermilab, est une particule légère appelée Z; son existence pourrait également expliquer pourquoi le cosmos semble s’étendre un peu plus vite que les modèles cosmologiques standards ne le prédisent Toutes les particules Z se seraient désintégrées en particules plus légères appelées neutrinos au début du Big Bang, pompant de l’énergie supplémentaire dans l’expansion cosmique et lui donnant un coup de pouce, puis ont disparu.

Dr Krnjaic a déclaré que le résultat du G-2 pourrait définir l’agenda de la physique des particules pour la prochaine génération “Si la valeur centrale de l’anomalie observée reste fixe, les nouvelles particules ne peuvent pas se cacher éternellement”, a-t-il déclaré. «Nous en apprendrons beaucoup plus sur la physique fondamentale à l’avenir”

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Actualités – États-Unis – Les résultats de la recherche sur les particules pourraient enfreindre les lois connues de la physique

Source: https://www.nytimes.com/2021/04/07/science/particle-physics-muon-fermilab-brookhaven.html

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