La collaboration Muon g-2 a annoncé sa mesure mise à jour très attendue. Le nouveau résultat s’aligne sur le premier résultat de la collaboration, annoncé en 2021, et il est deux fois plus précis. En fait, il s’agit de la mesure la plus précise jamais réalisée à l’aide d’un accélérateur de particules.
La collaboration se compose de 181 scientifiques de sept pays et de 33 institutions, dont le laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE). L’expérience se déroule au Fermi National Accelerator Laboratory du DOE et vise à mesurer une propriété magnétique du muon, une particule fondamentale dont le comportement pourrait indiquer l’existence de nouvelles particules ou forces.
Les autres scientifiques d’Argonne participant à l’expérience Muon g-2 sont les chercheurs postdoctoraux Yongyi Wu et Sam Grant, qui maximiseront la précision dans la détermination du champ magnétique pour les ensembles de données restants. La collaboration décrit le résultat dans un article qu’ils ont soumis à Lettres d’examen physique.
Les muons ont une propriété mécanique quantique appelée spin, qui les fait agir comme un petit aimant. Lorsqu’il est placé dans un champ magnétique, l’aimant interne du muon effectue une précession, un peu comme l’oscillation d’une toupie. La vitesse de cette oscillation est déterminée par une quantité connue sous le nom de moment magnétique, que les scientifiques représentent par la lettre « g ».
Au début des années 2000, une expérience au laboratoire national de Brookhaven du DOE a mesuré le moment magnétique du muon et a trouvé un écart entre le résultat expérimental et ce qui était prédit par le modèle standard, la compréhension actuelle des scientifiques des particules et des forces dans l’univers. L’expérience Fermilab Muon g-2 est une recréation de celle de Brookhaven, conçue pour contester ou affirmer l’écart avec une précision quadruplée.
« Avec ce deuxième résultat, nous avons amélioré la précision d’un peu plus d’un facteur deux par rapport à l’expérience de Brookhaven et à notre premier résultat », a déclaré le physicien d’Argonne Peter Winter, co-porte-parole de la collaboration Muon g-2. « Nous sommes en bonne voie d’améliorer la précision ultime d’un facteur quatre d’ici la fin de notre analyse. »
Au cours de l’expérience, un faisceau de muons parcourt des centaines à des milliers de fois autour d’un grand anneau creux sous l’influence d’un champ magnétique puissant. Alors que les muons tournent autour de l’anneau à une vitesse proche de la lumière, le champ magnétique provoque la précession de leurs spins, et une rafale de particules dites virtuelles influence cette précession. Les scientifiques déterminent « g » en détectant les précessions de spin des muons et en mesurant avec une extrême précision l’intensité du champ magnétique dans l’anneau.
Au niveau le plus simple, la théorie prédit que « g » est égal à deux. Mais les influences subtiles des particules virtuelles qui apparaissent et disparaissent peuvent affecter la précession de spin du muon, ce qui fait que son véritable « g » est légèrement supérieur à deux. La collaboration mesure cette différence, d’où le nom Muon g-2 (prononcé Muon g moins deux).
« Chaque particule existante joue un rôle dans la façon dont un muon se comporte dans un champ magnétique », a déclaré le physicien adjoint d’Argonne Yuri Oksuzian, directeur de production pour la collaboration Muon g-2. « Au lieu d’essayer d’observer directement ces particules virtuelles, nous mesurons leurs effets sur le comportement du muon. »
Le nouveau résultat expérimental pour g-2 est 0,00233184110. La mesure renforce le résultat annoncé en 2021 avec une précision sans précédent de 0,20 partie par million au total. Il intègre des données prises au cours des trois premières des six années de l’expérience.
Deux types d’incertitude affectent la précision globale de la mesure. L’incertitude statistique dépend de la quantité de données analysées ; plus il y a de données, plus les scientifiques sont certains de leur résultat. L’incertitude statistique était de +/- 0,00000000043. Avec moins de la moitié du total des données analysées, l’équipe est déjà à mi-chemin pour atteindre son objectif ultime d’incertitude statistique.
« Nous avons collecté un énorme ensemble de données – plus de 21 fois la taille de l’ensemble de données de Brookhaven », a déclaré Oksuzian, qui dirige l’effort de traitement et de préparation du grand volume de données pour l’analyse. La collaboration vise à intégrer les six années de données dans les prochaines années.
L’autre facteur, l’incertitude systématique, est basé sur les imperfections expérimentales, que les scientifiques de Muon g-2 ont travaillé avec diligence pour minimiser au cours des dernières années. Cette incertitude était de +/- 0,00000000019.
« Nous faisons tout ce que nous pouvons pour tirer le meilleur parti de ces mesures », a déclaré le physicien adjoint d’Argonne Simon Corrodi, qui a dirigé l’analyse en tant que coordinateur de l’analyse sur le terrain et responsable des opérations pour Muon g-2. « Maintenant, nous avons atteint une incertitude systématique totale de 70 parties par milliard, dépassant de loin notre objectif ultime de moins de 100 parties par milliard. » Corrodi servira désormais de coordinateur d’analyse pour les grands ensembles de données restants.
L’une des principales contributions des scientifiques d’Argonne a été la mesure précise de l’intensité du champ magnétique autour de l’anneau. Bien que les muons traversent un champ magnétique incroyablement constant, les changements de température ambiante et les effets du matériel de l’expérience provoquent de légères variations du champ. Pour mesurer ces variations, les scientifiques ont monté des centaines de sondes sur les parois de l’anneau. Ils ont également envoyé un chariot rempli de sondes autour du ring tous les quelques jours.
Pour s’assurer que les sondes donnent des lectures précises, les scientifiques les calibrent à l’aide d’une installation de test d’aimant solénoïde à Argonne. L’installation a permis aux scientifiques d’effectuer des mesures sur le terrain jusqu’à quelques parties par milliard, comme mesurer le volume d’eau dans une piscine jusqu’à la goutte.
Au cours des prochaines années, une collaboration de physiciens théoriciens et expérimentateurs connue sous le nom de Muon g-2 Theory Initiative travaillera d’arrache-pied pour résoudre la tension entre deux façons de calculer la prédiction du modèle standard de g-2. En 2020, l’initiative a annoncé la meilleure prédiction du modèle standard pour g-2 disponible à ce moment-là. Mais un nouveau calcul basé sur une approche théorique différente – la théorie de jauge de réseau – est en désaccord avec le calcul de 2020.
« Notre mesure précise est maintenant encore plus importante alors que nous essayons de comprendre l’écart théorique », a déclaré Corrodi. « C’est un bel exemple du dialogue entre théorie et expérience. »