La physique du muon : l’anomalie qui ouvre la porte sur de nouvelles forces

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Un anneau de 14 mètres, 8 milliards de muons. Photo: Fermilab
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Des particules encore inconnues, de même que des forces situées au-delà du modèle standard de la physique? Cette fois, l’espoir est né d’un muon — une particule dont la vitesse d’oscillation serait légèrement plus rapide que ce que le modèle prédit.

La démonstration est évidemment plus complexe que ce que suggère ce résumé. Au sein du Fermilab — laboratoire de physique des particules situé en Illinois — il a fallu expédier 8 milliards de muons dans un anneau de 14 mètres et les soumettre à un champ magnétique.

Muon: une différence de 0,0002%

Le rythme auquel les muons auraient alors dû osciller était connu, mais il s’est avéré être plus rapide. Une différence de 0,0002%, ce qui est assez pour dire aux physiciens qu’il y a là quelque chose d’autre à l’œuvre.

Cette piste, des physiciens la suivent depuis 2001, lorsqu’une expérience similaire avait conclu là aussi à des muons oscillant légèrement plus vite que prévu — mais les résultats étaient alors jugés « statistiquement non significatifs ».

L’expérience du Fermilab a démarré en 2018, et ce qui vient d’être présenté, qui correspond à la première année d’opérations, tend à confirmer les résultats de 2001.

Quatre forces… ou plus?

L’idée centrale derrière ces allers et retours est le modèle standard de la physique: celui qui définit que quatre forces gouvernent notre univers, soit la gravité, l’électromagnétisme et les forces (ou interactions) nucléaires faible et forte.

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La théorie tient le coup, mais elle n’explique pas tout, d’où les spéculations — vieilles de plusieurs décennies — sur l’existence d’une « cinquième force », ou de particules exotiques aux propriétés encore inconnues.

«L’anomalie» calculée à présent au Fermilab, et décrite dans une étude parue le 7 avril, tire peut-être son origine d’un «phénomène quantique appelé particules virtuelles», résume le New Scientist. Il s’agit de paires constituées d’une particule et de sa jumelle d’antimatière, qui apparaissent et disparaissent au hasard de fluctuations quantiques: lors de leurs brèves apparitions, elles affecteraient le comportement des muons.

Physique du muon hautement théorique

Mais c’est l’explication la plus facile et en réalité, avec les données disponibles, «il n’y a pas une explication unique qui se détache comme étant plus élégante ou plus satisfaisante», résume de son côté Nature.

Tout cela est donc hautement théorique. Comment le démontrer?

Là s’arrêtent les calculs et commencent les spéculations. Ce vers quoi tendent ces recherches — et il reste deux étapes aux cinq des expériences sur le muon en cours au Fermilab — c’est la détection de preuves indirectes de l’existence d’autres types de particules, peut-être elles-mêmes gouvernées par une ou des forces différentes. Mais pour ce qui est d’obtenir des preuves directes de l’existence de ces particules, les paris restent ouverts.

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