Le moment magnétique anormal du muon est un paramètre crucial en physique des particules car il permet des tests de précision du modèle standard établi. Une nouvelle mesure de cette quantité l’année dernière a fait fureur car elle a réaffirmé un écart significatif par rapport à la prédiction théorique – en d’autres termes, le moment magnétique anormal est plus grand que prévu.
Les physiciens calculent la prédiction théorique sur la base du modèle standard actuellement valide de la physique des particules. En 2020, la Muon g-2 Theory Initiative – un groupe de 130 physiciens avec une forte représentation de Mayence – a produit une estimation consensuelle qui a depuis été acceptée comme valeur de référence. Depuis, plusieurs équipes, dont celle du Prof. Hartmut Wittig du Pôle d’Excellence PRISMA+ de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU), ont publié de nouveaux résultats sur la contribution de l’interaction forte à l’aide de simulations numériques de QCD sur réseau, qui suggèrent que la la prédiction théorique tend vers la valeur expérimentale.
« Même s’il s’avère que l’écart entre les résultats théoriques et expérimentaux est en fait plus petit que nous ne le pensions, cela représenterait tout de même une divergence majeure », explique Hartmut Wittig. « Mais il est toujours impératif pour nous de comprendre d’abord pourquoi l’utilisation de méthodes théoriques différentes conduit à des résultats aussi dissemblables. »
Un nouveau mystère qui nécessite une solution
Le moment magnétique anormal reçoit des contributions de toutes les interactions fondamentales à l’exception de la gravité. L’interaction forte ou force nucléaire forte qui agit entre les particules élémentaires de matière appelées quarks et qui est médiée par l’échange de gluons, revêt une importance particulière lorsqu’il s’agit de tester le modèle standard.
Des calculs récents se sont concentrés sur la contribution dite de la polarisation hadronique du vide (HVP) au moment magnétique du muon, dans laquelle des paires quark-antiquark sont continuellement générées à partir d’un vide pendant une fraction de seconde avant de disparaître à nouveau.
« Il s’agit d’un processus extrêmement complexe à gérer, et le niveau d’incertitude de la prédiction théorique est donc largement déterminé par les effets de l’interaction forte », ajoute Wittig. Comme les techniques de calcul standard ne peuvent pas être utilisées dans ce contexte ou n’ont pas été suffisamment précises à ce jour, dans le document de consensus actuel, la contribution du HVP a été déterminée en utilisant des données expérimentales sur divers accélérateurs de particules.
L’idéal serait que la contribution du HVP puisse être calculée sans s’appuyer sur des données expérimentales, en utilisant uniquement la chromodynamique quantique (QCD). La QCD est la théorie fondamentale de l’interaction forte entre les quarks médiée par les gluons. Cependant, la QCD est une théorie extrêmement difficile à gérer en pratique. L’équipe de Mayence utilise à cette fin une technique connue sous le nom de théorie des champs sur réseau.
Ici, les quarks et les gluons sont répartis sur une grille discrète de points qui représentent l’espace-temps, un peu comme les atomes d’un cristal. La contribution du HVP au moment magnétique anormal du muon peut alors être déterminée à l’aide de superordinateurs.
« Il y a quelques années encore, les énormes défis techniques d’un tel calcul rendaient impossible la détermination de la contribution HVP avec la précision nécessaire à l’aide de la CDQ sur réseau. Entre-temps, nous avons affiné la méthode afin que la précision de notre résultat puisse correspondre à celle de l’approche traditionnelle qui recourt à l’utilisation de données expérimentales », souligne Wittig.
Dans l’article désormais disponible sur le serveur de prépublication arXiv, Wittig et son équipe présentent les résultats du calcul d’une fraction de HVP particulièrement adaptée pour tester la cohérence des résultats de divers calculs de réseau et les comparer aux estimations basées sur le traditionnel méthode. « Comme notre résultat est tout aussi précis, on peut dire que le calcul QCD sur réseau a passé son baptême du feu, ce qui est en soi un énorme succès. De plus, il devient de plus en plus clair que nos calculs basés sur QCD correspondent réellement aux calculs nouvellement présentés les résultats des autres équipes. »
Wittig tourne maintenant son attention vers le moment magnétique du muon : « Nos nouveaux calculs de réseau rendent plus évident que la valeur de prédiction théorique est susceptible de se rapprocher du résultat mesuré. Cela a généré pas mal d’excitation parmi mes collègues. . Nous nous concentrons maintenant sur le problème de savoir pourquoi les différentes méthodes utilisées pour évaluer la contribution du HVP devraient produire des résultats discordants. Et ceux de nos collègues qui pourraient être déçus que l’écart avec le modèle standard se réduise peuvent être rassurés par le fait que notre nouveau le calcul n’a pas fait disparaître complètement l’écart entre la théorie et l’expérience. Quelle que soit la manière dont vous l’examinez, il ne fait aucun doute qu’il existe un écart qui nécessite une explication. Il nous reste encore beaucoup à comprendre.
M. Cè et al, Fenêtre observable pour la contribution de la polarisation hadronique du vide au muon g−2 du réseau QCD, arXiv:2206.06582v1 [hep-lat]. doi.org/10.48550/arXiv.2206.06582