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Eclairage sur l’énigme du moment magnétique du muon

Le résultat d’une expérience menée au laboratoire américain Fermilab a déclenché un très vif intérêt dans la communauté de la physique des particules. La mesure en question, celle du moment magnétique du muon, s’écarte de la prédiction théorique. Éclairage en compagnie d’Emilian Dudas, chercheur au Centre de physique théorique.

L'anneau de l'expérience Muon g-2 du laboratoire Fermilab près de Chicago (États-Unis)L'anneau de l'expérience Muon g-2 du laboratoire Fermilab près de Chicago (États-Unis)

Le Modèle Standard, la théorie de la physique des particules, serait-il mis en défaut ? C’est la question que se pose les physiciennes et physiciens de ce domaine depuis la publication des premiers résultats de l’expérience « Muon g-2 » le 7 avril dernier. Cette expérience se déroule dans l’accélérateur de particules du Fermilab, près de Chicago. Elle consiste à scruter les muons, des particules élémentaires qui ressemblent à des électrons en 200 fois plus massifs. « Il s’agit de mesurer le moment magnétique de ces particules, c’est-à-dire l’intensité avec laquelle elles se couplent à un champ magnétique » précise Emilian Dudas du Centre de physique théorique (CPHT*), qui a suivi le séminaire de présentation des résultats. Or, ce moment magnétique diffère de la prédiction théorique du Modèle Standard. « C’est une énigme ancienne car l’expérience du Fermilab reprend en fait une expérience qui s’est conclue en 2001 au laboratoire de Brookhaven et qui pointait déjà un désaccord entre théorie et expérience ».

Mais encore faut-il s’assurer que ce désaccord soit significatif car, comme toute mesure, le résultat est entaché d’une barre d’erreur. De plus, il pourrait s’agir d’une « fluctuation statistique » pouvant émerger dans ces mesures qui, soumises à la physique quantique, comprennent une part de hasard intrinsèque. Par le passé, de tels désaccord en physique des particules se sont déjà révélés être de fausses alertes. Refaire la mesure un grand nombre de fois permet de réduire cette possibilité. « Cela paraît pertinent de combiner les mesures de Brookhaven et celles du Fermilab car il s’agit de la même machine, bien qu’elle ait été déplacée et améliorée entre temps. Alors, la probabilité qu’il s’agisse d’une fluctuation statistique est inférieure à un sur 40 000. Cela commence à devenir sérieux. » souligne le chercheur du CPHT. Dans le langage des physiciens, l’écart entre la théorie et l’expérience s’élève à 4,2 « sigmas ». Par convention, on attend que l’écart dépasse 5 sigmas avant d’annoncer une découverte en physique des particules, comme cela a été le cas pour le boson de Higgs en 2012.

Un autre point incite à la prudence avant d’annoncer une éventuelle fin du Modèle Standard : les incertitudes sur le résultat ne viennent pas seulement de l’expérience, mais aussi du calcul théorique. Cela est dû à l’influence exercée sur les muons par toutes les autres particules, qui peuvent exister à l’état « virtuel » dans l’expérience, physique quantique oblige. « Comme le muon est 200 fois plus massif que l’électron, les corrections quantiques apportées par des particules plus lourdes, qui subissent l’interaction forte, ne sont pas négligeables ». C’est ce point qui rend le calcul  particulièrement difficile à mener. Or, le jour même de l’annonce du Fermilab, une autre équipe publiait un nouveau calcul théorique, effectué avec une méthode différente. « Avec cette valeur, le désaccord entre théorie et expérience est beaucoup moins significatif ! Cela va prendre du temps afin de savoir ce qu’il en est vraiment, mais dans tous les cas, c’est intéressant » poursuit le physicien théoricien.

Les scientifiques cherchent en effet depuis longtemps à mettre en défaut le Modèle Standard de la physique des particules. Ses prédictions ont été jusque-là remarquables -le boson de Higgs par exemple- mais on sait qu’il est incomplet. En particulier, il n’explique pas la matière noire qui semble baigner l’Univers. Des particules ou des interactions inconnues influenceraient, elles aussi, la valeur du moment magnétique du muon et expliquerait l’écart observé. « C’est pourquoi nombreux modèles allant au-delà de la théorie actuelle ont été publié sur arXiv après l’annonce du Fermilab. Pour ma part, je m’intéresse en particulier aux modèles faisant appel à la supersymétrie, qui prédit l’existence de « jumeaux » aux particules connues aujourd’hui. » Cette supersymétrie est aussi un ingrédient essentiel à la théorie des cordes, une théorie physique encore spéculative qui est au cœur des recherches de l’équipe où travaille Emilian Dudas. Mais il existe d’autres possibilités. Les expériences comme les investigations théoriques continuent.

*CPHT : une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique - Institut Polytechnique de Paris