Les rotations du muon électrisent la communauté des physiciens
Une anomalie dans le comportement magnétique du muon, une particule élémentaire, est-elle le signe que le cadre conceptuel servant à décrire l’infiniment petit est en train de craquer ? Des résultats contradictoires relancent le débat.
Par David LarousseriePublié le 07 avril 2021 à 17h00, mis à jour hier à 09h15
Temps de Lecture 7 min.
Une expérience internationale menée au FermiLab, près de Chicago (Etats-Unis), vient d’annoncer être à un cheveu d’une découverte majeure en physique. « Nous pourrions être sur le point d’avoir le premier signe qu’il y aurait une nouvelle force ou une nouvelle particule, au-delà de tout ce que nous connaissons », estime Lawrence Gibbons, de l’université Cornell et membre de la collaboration internationale qui publie son résultat majeur dans Physical Review Lettersmercredi 7 avril, complété par trois autres articles.
Depuis quinze ans, la communauté scientifique attendait ces résultats.
En physique, il y a deux manières de faire une découverte. Soit directement, en pointant un télescope dans le ciel, comme les astronomes l’ont fait au XVIIIe siècle pour voir la septième planète du système solaire, Uranus. Ou comme en 2012 lorsque, dans les débris de collisions violentes au CERN, une nouvelle particule a été repérée, le boson de Higgs.
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Soit indirectement, en constatant que des phénomènes ne tournent pas aussi rond que prévu, signe d’effets inconnus, stimulants à élucider. Comme lorsque l’astronome Urbain Le Verrier prédit l’existence de Neptune au XIXe siècle en analysant les perturbations de la rotation d’Uranus. Ou comme quand des théoriciens supposèrent, en 1973, pour expliquer une anomalie expérimentale, l’existence de deux nouvelles particules, découvertes quatre ans plus tard.
C’est cette seconde voie qu’a choisie l’expérience du FermiLab, au nom un peu barbare de Muon g-2. Impliquant deux cents chercheurs de sept pays, elle est la copie améliorée d’une précédente, menée vingt ans plus tôt à 1 000 kilomètres de là, près de New York, et qui avait déjà trouvé des signes avant-coureurs d’une possible faille dans les théories.
Equivalent d’une IRM
Plus précisément, l’expérience vise à faire passer l’équivalent d’une IRM à une particule, le muon. Cette particule chargée, découverte il y a soixante-quinze ans, est une cousine de l’électron, 200 fois plus lourde et à la vie très brève, deux microsecondes. En outre, elle possède une aimantation, dont il s’agit de tester si elle se comporte comme la théorie le prévoit. Pour cela, des milliards de muons sont envoyés à des vitesses proches de celle de la lumière dans un anneau circulaire de quatorze mètres de diamètre, et y tournent grâce à un champ magnétique comparable à celui d’un appareil d’IRM. Après 4 000 tours, les muons finissent par se désintégrer en particules qui sont détectées hors de l’anneau et dont la direction de fuite est reliée à l’aimantation de leur « parent », appelée moment magnétique.
Et c’est là que cela ne tourne plus rond. Ce moment est plus élevé que ce qui est attendu. Certes de seulement 0,0025 %, mais c’est suffisant pour intriguer les physiciens, qui y voient le signe de la présence d’un intrus jouant avec la petite aiguille de la boussole muonique. Et la conviction qu’il y a quelque chose au-delà de la théorie dite du modèle standard, qui décrit la totalité de l’infiniment petit.
« Le 25 février au matin, lorsque nous avons, comme on dit, “ouvert la boîte”, pour voir les résultats, je me souviens être resté muet et abasourdi », témoigne Antoine Chapelain, en post-doctorat à l’université Cornell sur cette expérience. « C’était une excitation mêlée d’un soulagement », ajoute Lawrence Gibbons.
Le soulagement vient d’abord de ce que cette deuxième version de l’expérience confirme la valeur trouvée par la première. Ensuite, l’excitation s’explique par cet écart avec la théorie qui persiste et qui s’est même affermi. En effet, tester la solidité d’un tel résultat revient à se demander si, lancer plusieurs fois des dés et trouver une succession de triples six est le signe du hasard, synonyme de déception, ou de dés pipés, synonyme de découverte. Plusieurs lancers sont donc nécessaires pour trancher.
En 2006, à la fin de la première expérience, l’anomalie avait une chance sur 10 000 d’être due au hasard. En 2021, en combinant les « vieux » tirages et les nouveaux, cette chance tombe à une sur 40 000. Il faudrait atteindre une chance sur plus d’un million pour considérer que les dés sont pipés et que quelque chose de nouveau perturbe le moment magnétique. Ce but est proche car l’expérience n’a analysé pour l’instant que les données de deux mois de 2018. Des données de 2019 et de 2020 existent et seront complétées par celles de 2021. Au Japon, au laboratoire J-PARC, une autre expérience devrait aussi apporter son lot de résultats.
Drôle de bestiole
Mais, pour comparer ces expériences à la théorie, encore faut-il que cette dernière soit aussi précise qu’elles. Et ce n’est pas simple. En effet, le muon, bien qu’étant une particule élémentaire, donc incassable, est une drôle de bestiole.
« Il est comme enveloppé par un essaim de particules et d’antiparticules virtuelles »,rappelle Laurent Lellouch, directeur de recherche du CNRS au Centre de physique théorique de Marseille. Autrement dit, autour de lui apparaissent et disparaissent en permanence des photons, des électrons, des bosons, des quarks, des antiquarks… Comme dans une bourse géante virtuelle et frénétique où des actions changent de main rapidement. Mais, pendant ces transferts, il peut se passer des choses, dont certaines pourraient perturber l’aimantation du muon.
Le calcul exact doit donc prendre en compte toutes les forces connues, électromagnétiques (entre charges électriques), faibles (expliquant la radioactivité) et fortes (liées à la cohésion des protons et neutrons). Ces dernières sont les plus difficiles à estimer. Alors les théoriciens ont été astucieux, en s’aidant… d’autres expériences. En effet, certains processus naturels étudiés très précisément depuis des dizaines d’années dans les accélérateurs de particules font intervenir les interactions de la « bourse virtuelle » susceptibles d’affecter la valeur du moment magnétique du muon.
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« Depuis vingt-cinq ans, nos calculs progressent en même temps que les expériences », rappelle Michel Davier, professeur émérite de l’université Paris-Saclay, académicien, et l’un des pionniers de cette méthode de calcul du moment magnétique du muon, dont il a publié en vingt ans une dizaine d’estimations de plus en plus précises. Il fait aussi partie d’un groupe de plus de 130 spécialistes internationaux, qui s’est réuni pour faire le point sur ces calculs, et a rendu ses conclusions en 196 pages en décembre 2020 dans Physics Reports. C’est ce travail qui fournit le point de référence de la comparaison avec l’expérience de FermiLab.
Mais, coup de théâtre, le même jour, à la même heure, de l’annonce du FermiLab, la revue Nature publie une nouvelle prédiction, qui vient compliquer encore la situation. Signée par un groupe de théoriciens, baptisé BMW pour Budapest-Marseille-Wuppertal, les villes principales de ses auteurs, l’étude propose une méthode différente pour estimer le moment magnétique du muon. BMW trouve que sa valeur est… quasiment compatible avec l’expérience ! Adieu, planète Neptune de l’infiniment petit…
Peut être pas tout de suite. « Ce calcul est une prouesse. C’est un beau résultat mais qui demande à être confirmé », prévient Michel Davier. En effet, cinq autres groupes travaillent dans la même voie, en Allemagne, au Japon, au Royaume-Uni, aux Etats-Unis, et promettent des résultats prochainement. En outre, ce résultat aussi doit être passé au crible des tests statistiques et ces tests, pour l’instant, ne permettent pas d’affirmer que la similitude avec le résultat expérimental est due à la chance ou à un effet oublié, ou est bien réelle.
« Nous marchons sur des œufs »
Enfin, il pose question. Comment deux théories peuvent-elles donner un résultat différent ? La méthode de BMW est une simulation numérique directe des effets subtils de l’interaction forte, sans recours à des données expérimentales, comme la méthode de référence. Elle a nécessité près de cinq ans de travail et des centaines de millions d’heures de calculs sur les plus gros ordinateurs allemands et français. Mais, forcément, il y a des limites à de tels calculs, dont il s’agit maintenant d’étudier pourquoi ils s’écarteraient de l’autre calcul. « Nous marchons sur des œufs, car il faut une confirmation par d’autres équipes. L’autre calcul est bien plus mûr », reconnaît Laurent Lellouch, qui avoue avoir cauchemardé de peur que les concurrents trouvent une erreur. Déjà son groupe travaille avec celui de Michel Davier pour élucider ces énigmes.
Quoi qu’il en soit, la prudence s’impose, car le domaine n’est pas avare en annonces qui se dégonflent, comme, en 2013, l’observation, démentie rapidement, de signaux venus de quelques instants après le Big Bang. Ou en 2016, celle d’une « bosse » dans des données de collisions de particules, qui aurait pu être la signature d’un nouveau venu, avant de disparaître. Le boson de Higgs lui-même a été « découvert » plusieurs fois avant 2012. Mais, à l’inverse, la conviction que le tableau théorique se fissure se renforce, avec d’autres expériences qui ont repéré des anomalies dans le comportement de particules très légères, les neutrinos, ou dans des désintégrations rares et inexpliquées de particules au CERN.A
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Les physiciens ont donc du pain sur la planche. En quelques semaines, ils se retrouvent avec trois résultats majeurs, l’un expérimental, les deux autres théoriques, pour l’instant irréconciliables. Et, à l’affût, encore plus de spécialistes sont prêts à dégainer leur « Neptune », c’est-à-dire des idées de nouvelles forces, ou de nouvelles particules, susceptibles d’agiter la petite aiguille de la boussole muonique, qui pourrait bien fixer le cap des futures recherches en physique pour des dizaines d’années.about:blank
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