Les premiers résultats de l’expérience Muon g-2 du Laboratoire Fermi renforcent les preuves d’une nouvelle physique
Les premiers résultats tant attendus de l’expérience Muon g-2 au Laboratoire national d’accélérateur Fermi du département américain de l’énergie montrent que des particules fondamentales appelées muons se comportent d’une manière qui n’est pas prévue par la meilleure théorie des scientifiques, le modèle standard de la physique des particules. Ce résultat historique, réalisé avec une précision sans précédent, confirme un écart qui ronge les chercheurs depuis des décennies.
Les preuves solides que les muons s’écartent du calcul du modèle standard pourraient suggérer une nouvelle physique passionnante. Les muons agissent comme une fenêtre sur le monde subatomique et pourraient interagir avec des particules ou des forces encore inconnues.
«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, co-porte-parole de l’expérience Muon g-2 et physicien à l’Institut national italien de physique nucléaire. «Un grand mérite revient à nos jeunes chercheurs qui, grâce à leur talent, leurs idées et leur enthousiasme, nous ont permis d’obtenir ce résultat incroyable.»
Les premiers résultats de l’expérience Muon g-2 au Laboratoire Fermi ont renforcé les preuves d’une nouvelle physique. La pièce maîtresse de l’expérience est un anneau de stockage magnétique supraconducteur de 50 pieds de diamètre, qui se trouve dans son hall de détection au milieu de racks électroniques, de la ligne de faisceau de muons et d’autres équipements. Cette expérience impressionnante fonctionne à une température négative de 450 degrés Fahrenheit et étudie la précession (ou l’oscillation) des muons lorsqu’ils se déplacent à travers le champ magnétique. Photo: Reidar Hahn, Fermilab
Un muon est environ 200 fois plus massif que son cousin, l’électron. Les muons se produisent naturellement lorsque les rayons cosmiques frappent l’atmosphère terrestre et les accélérateurs de particules du Laboratoire Fermi peuvent les produire en grand nombre. Comme les électrons, les muons agissent comme s’ils avaient un minuscule aimant interne. Dans un champ magnétique puissant, la direction de l’aimant du muon précède, ou oscille, un peu comme l’axe d’une toupie ou d’un gyroscope. La force de l’aimant interne détermine la vitesse de précession du muon dans un champ magnétique externe et est décrite par un nombre que les physiciens appellent le facteur g. Ce nombre peut être calculé avec une très haute précision.
Au fur et à mesure que les muons circulent dans l’aimant Muon g-2, ils interagissent également avec une mousse quantique de particules subatomiques apparaissant et disparaissant. Les interactions avec ces particules à vie courte affectent la valeur du facteur g, provoquant une accélération ou un ralentissement très léger de la précession des muons. Le modèle standard prédit de manière extrêmement précise ce soi-disant moment magnétique anormal. Mais si la mousse quantique contient des forces ou des particules supplémentaires non prises en compte par le modèle standard, cela modifierait davantage le facteur g du muon.
«Cette quantité que nous mesurons reflète les interactions du muon avec tout le reste de l’univers. Mais lorsque les théoriciens calculent la même quantité, en utilisant toutes les forces et particules connues dans le modèle standard, nous n’obtenons pas la même réponse », a déclaré Renee Fatemi, physicienne à l’Université du Kentucky et responsable des simulations pour le Muon. expérience g-2. «C’est une preuve solide que le muon est sensible à quelque chose qui n’est pas dans notre meilleure théorie.»
L’expérience précédente au Brookhaven National Laboratory du DOE, qui s’est achevée en 2001, a laissé entendre que le comportement du muon était en désaccord avec le modèle standard. La nouvelle mesure de l’expérience Muon g-2 au Laboratoire Fermi est fortement en accord avec la valeur trouvée à Brookhaven et diverge de la théorie avec la mesure la plus précise à ce jour.
Le premier résultat de l’expérience Muon g-2 au Fermilab confirme le résultat de l’expérience réalisée au Brookhaven National Lab il y a deux décennies. Ensemble, les deux résultats montrent des preuves solides que les muons divergent de la prédiction du modèle standard. Image: Ryan Postel, collaboration Fermilab / Muon g-2
Les valeurs théoriques acceptées pour le muon sont:
Facteur g: 2.00233183620 (86)
moment magnétique anormal: 0,00116591810 (43)
[uncertainty in parentheses]
Les nouveaux résultats expérimentaux de moyenne mondiale annoncés aujourd’hui par la collaboration Muon g-2 sont:
Facteur g: 2.00233184122 (82)
moment magnétique anormal: 0,00116592061 (41)
Les résultats combinés de Fermilab et Brookhaven montrent une différence avec la théorie d’une signification de 4,2 sigma, un peu moins que les 5 sigma (ou écarts types) dont les scientifiques ont besoin pour revendiquer une découverte, mais toujours des preuves convaincantes de la nouvelle physique. La probabilité que les résultats soient une fluctuation statistique est d’environ 1 sur 40 000.
L’expérience du Laboratoire Fermi réutilise le composant principal de l’expérience de Brookhaven, un anneau de stockage magnétique supraconducteur de 50 pieds de diamètre. En 2013, il a été transporté sur 3200 miles par voie terrestre et maritime de Long Island à la banlieue de Chicago, où les scientifiques ont pu profiter de l’accélérateur de particules du Laboratoire Fermi et produire le faisceau de muons le plus intense des États-Unis. Au cours des quatre années suivantes, les chercheurs ont assemblé l’expérience; accordé et calibré un champ magnétique incroyablement uniforme; développé de nouvelles techniques, instrumentation et simulations; et testé minutieusement l’ensemble du système.
Des milliers de personnes ont accueilli l’aimant Muon g-2 au Laboratoire Fermi en 2013. Les données de la première exécution de l’expérience ont donné un résultat d’une précision sans précédent. Les données de quatre essais expérimentaux supplémentaires révéleront encore plus en détail le comportement du muon. Photo: Reidar Hahn, Fermilab
L’expérience Muon g-2 envoie un faisceau de muons dans l’anneau de stockage, où ils circulent des milliers de fois à presque la vitesse de la lumière. Les détecteurs bordant l’anneau permettent aux scientifiques de déterminer la vitesse de précession des muons.
Au cours de sa première année de fonctionnement, en 2018, l’expérience du Laboratoire Fermi a collecté plus de données que toutes les expériences précédentes combinées sur le facteur g muon. Avec plus de 200 scientifiques de 35 institutions dans sept pays, la collaboration Muon g-2 a maintenant terminé l’analyse du mouvement de plus de 8 milliards de muons de cette première exécution.
«Après les 20 années qui se sont écoulées depuis la fin de l’expérience de Brookhaven, il est tellement gratifiant de finalement résoudre ce mystère», a déclaré Chris Polly, scientifique du Laboratoire Fermi, co-porte-parole de l’expérience actuelle et étudiant principal du cycle Expérience de Brookhaven.
L’analyse des données des deuxième et troisième cycles de l’expérience est en cours, la quatrième est en cours et une cinquième est prévue. La combinaison des résultats des cinq essais donnera aux scientifiques une mesure encore plus précise de l’oscillation du muon, révélant avec une plus grande certitude si une nouvelle physique se cache dans la mousse quantique.
«Jusqu’à présent, nous avons analysé moins de 6% des données que l’expérience recueillera éventuellement. Bien que ces premiers résultats nous indiquent qu’il existe une différence intrigante avec le modèle standard, nous en apprendrons beaucoup plus dans les deux prochaines années », a déclaré Polly.
«Cerner le comportement subtil des muons est une réalisation remarquable qui guidera la recherche de la physique au-delà du modèle standard pour les années à venir», a déclaré Joe Lykken, directeur adjoint de la recherche du Laboratoire Fermi. «C’est une période passionnante pour la recherche en physique des particules, et le Laboratoire Fermi est à l’avant-garde.»
Une conférence de presse sur les premiers résultats de l’expérience Muon g-2 aura lieu à midi, heure centrale des États-Unis, le 7 avril. Les journalistes doivent contacter media@fnal.gov pour obtenir des informations de connexion. Plus d’images de l’expérience Muon g-2 sont disponibles dans la galerie Muon g-2. Plus d’informations sur l’expérience sont disponibles sur le site Muon g-2.
Plus de façons de s’engager: faites une visite virtuelle à 360 ° de l’expérience Muon g-2 ou regardez une visite vidéo guidée. Voir la liste de lecture vidéo complète du Muon g-2. Inscrivez-vous à une conférence publique virtuelle gratuite le 17 avril qui expliquera les nouveaux résultats du Muon g-2. Imprimez votre propre affiche «Marvelous Muon».
L’expérience Muon g-2 est soutenue par le ministère de l’Énergie (États-Unis); National Science Foundation (États-Unis); Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Italie); Conseil des installations scientifiques et technologiques (Royaume-Uni); Royal Society (Royaume-Uni); Horizon 2020 de l’Union européenne; Fondation nationale des sciences naturelles de Chine; MSIP, NRF et IBS-R017-D1 (République de Corée); et Fondation allemande pour la recherche (DFG).
Fermilab est le premier laboratoire national américain de recherche en physique des particules. Laboratoire de l’Office of Science du Département américain de l’énergie, Fermilab est situé près de Chicago, dans l’Illinois, et est exploité sous contrat par Fermi Research Alliance LLC. Visitez le site Web de Fermilab à https://www.fnal.gov et suivez-nous sur Twitter @Fermilab.
L’Office of Science du DOE est le plus grand partisan de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s’efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque. Pour plus d’informations, visitez https://science.energy.gov.