Les découvertes scientifiques sont différentes - une découverte inattendue de radioactivité ou une longue recherche du boson de Higgs prévu. Mais certaines découvertes sont mitigées lorsque certains indices dans les données indiquent des mesures futures qui pourraient prendre des années. Maintenant, la recherche scientifique de ce dernier type vient de se produire, ce qui peut provoquer une grande résonance en physique.
En février 2018, une collaboration de 190 scientifiques travaillant au
Laboratoire national des accélérateurs de Fermi dans l'Illinois a commencé à utiliser un ensemble d'anneaux d'aimants d'un diamètre de 15 m pour effectuer l'une des mesures les plus précises de l'histoire. Dans cette étude, appelée «
expérience ji minus 2 » (g-2), les scientifiques mesureront le
moment magnétique anormal d'une particule subatomique rare, un muon, un parent lourd de l'électron. Un muon seul peut exister de l'ordre de 2,2 ppm.
La mesure du moment magnétique, c'est-à-dire la force de l'aimant créé par le muon, a été effectuée avec une erreur de
10-12 . C'est la même chose que de mesurer la distance de la Terre au Soleil avec une erreur millimétrique. Aujourd'hui, les valeurs calculées et mesurées ne coïncident pas, et cette différence peut être le premier indice de physique en dehors du modèle standard - la théorie actuelle qui décrit le monde subatomique.
Ce serait une grande découverte, car les physiciens feraient volontiers un trou dans la théorie dominante. Cela conduirait à un nouveau modèle scientifique amélioré qui répondrait mieux à sa tâche. Et étant donné que la théorie actuelle est assez réussie, elle ferait vraiment avancer nos connaissances.
Une fois dans un champ magnétique, les muons commencent à précession, c'est-à-dire qu'ils oscillent d'une certaine manière. Dans un champ magnétique, nous pouvons mesurer la fréquence de précession. Cette mesure inclut la charge de particules et le
facteur g , utilisés pour distinguer certaines variantes de théories. Dans la théorie classique, g = 1, et dans la théorie quantique non relativiste, g = 2.
Les mesures du facteur g pour les électrons, qui ont commencé peu de temps après la Seconde Guerre mondiale, ont montré une légère différence par rapport à la valeur théorique de 2 et ont donné un résultat expérimental de 2,00232. Cette différence est due aux effets décrits par la théorie de
l'électrodynamique quantique , QED. En se concentrant sur la différence entre la théorie et l'expérience, 0,00232, les chercheurs ont semblé soustraire les deux du résultat, c'est pourquoi l'expérience a été nommée (g-2).
En électrodynamique quantique, entre autres, nous étudions l'existence de particules virtuelles, ou ce qu'on appelle parfois la mousse quantique. Les particules virtuelles sont un bouillon de particules de matière et d'antimatière qui proviennent du néant pendant une fraction de seconde, puis disparaissent à nouveau, comme si elles n'étaient pas là. Ils apparaissent partout, mais sont particulièrement importants lorsqu'ils apparaissent à côté des particules subatomiques.
De 1997 à 2001, les chercheurs du Brookhaven National Laboratory ont mesuré le facteur g du muon avec une précision de 12 chiffres significatifs et ont comparé ce résultat avec des calculs théoriques de la même précision. Les résultats ne correspondaient pas. Pour comprendre l'importance de cet écart, il est nécessaire de comprendre leur erreur. Par exemple, si vous vouliez savoir laquelle des deux personnes est la plus élevée et que l'erreur dans vos mesures sera d'un demi-mètre, il est peu probable que vous arriviez à une conclusion convaincante.
La différence entre les résultats mesurés et calculés, divisée par l'erreur combinée (ce que les scientifiques appellent sigma), est de 3,5. En physique des particules, un sigma de 3,0 est considéré comme une preuve convaincante, mais une véritable découverte nécessite une valeur de 5,0.
Habituellement, on s'attendrait à ce que les expérimentateurs de Brookhaven améliorent leur configuration et collectent plus de données, mais des obstacles insurmontables entravent le laboratoire. Par conséquent, les chercheurs ont décidé de transférer l'anneau g-2 au Fermilab, où se trouve un accélérateur capable de délivrer plus de muons. L'équipement a été transporté sur 5 000 km sur une barge le long de la côte est et en remontant le fleuve Mississippi. En juillet 2013, il est arrivé au Fermilab.
Au fil des ans, l'anneau a été complètement mis à jour, des détecteurs et des appareils électroniques améliorés ont été installés. La nouvelle installation offre d'énormes opportunités. Soit dit en passant, les habitants des régions voisines ont la légende que les restes d'une soucoupe volante tombée sont stockés dans le laboratoire. Dites, d'une manière ou d'une autre, sous le couvert de la nuit, un camion est sorti du laboratoire, accompagné de la police, sur lequel il y avait un lecteur de 15 mètres sous une bâche.
La collaboration Fermilab g-2 a commencé ses travaux. L'installation commencera et l'enregistrement des données commencera, qui durera jusqu'au début de juillet.
Quel résultat les scientifiques peuvent-ils obtenir? Si tout se passe comme prévu et que la valeur g mesurée dans le Fermilab se révèle être la même que celle mesurée dans Brookhaven, alors la différence dans les données enregistrées dans le Fermilab est de 5 sigma. Et cela signifiera une découverte.
En revanche, le résultat du Fermilab peut ne pas être le même qu'à Brookhaven. La nouvelle dimension peut coïncider avec les calculs, puis il n'y aura aucune différence.
Et si le g-2 faisait une découverte? Quel sera le résultat probable? Comme je l'ai mentionné précédemment, le moment magnétique anormal du muon est très sensible à l'existence de particules virtuelles proches. Ces particules modifient légèrement le moment magnétique du muon. De plus, une coïncidence ultra précise des mesures et des calculs ne serait pas possible si les particules virtuelles n'existaient pas.
Cependant, ce qui est assez évident, seules les particules virtuelles connues ont été utilisées dans les calculs. Une explication possible de l'écart observé peut être l'existence dans la mousse quantique de particules subatomiques supplémentaires, mais inconnues.
Il convient de noter que les découvertes dans le domaine des particules subatomiques sont détenues depuis des décennies par des accélérateurs de particules à haute énergie. La célèbre équation d'Einstein E = mc
2 décrit l'identité de la masse et de l'énergie. Par conséquent, pour ouvrir des particules lourdes, beaucoup d'énergie est requise. Aujourd'hui, le Grand collisionneur de hadrons du CERN est l'accélérateur le plus puissant.
Cependant, la méthode de la force brute pour fabriquer des particules n'est pas le seul moyen d'étudier la région de haute énergie. Le principe d'incertitude de Heisenberg dit que même des événements énergétiquement «impossibles» peuvent se produire si leur durée de vie est suffisamment courte. Par conséquent, il est possible qu'une particule virtuelle, qui n'existe généralement pas, apparaisse de la non-existence pendant un temps suffisamment long pour affecter le moment magnétique du muon. Dans ce cas, une mesure très précise pourrait révéler l'existence de cette particule. C'est juste le cas lorsque le scalpel est meilleur qu'un marteau et, peut-être, dans ce cas, l'expérience g-2 du Fermilab peut sauter le LHC.
Mais il convient de noter que l'histoire de la science regorge de cas où les différences dans 3 sigma ont disparu après la collecte de données supplémentaires. Par conséquent, je ne conseille pas de parier sur le résultat de cette mesure. Les écarts peuvent se révéler être des fluctuations statistiques. Cependant, le g-2 mesuré à Brookhaven peut encore être le premier signe d'une découverte qui change de paradigme. Les données enregistrées ce printemps seront analysées à l'automne et les résultats pourraient apparaître plus tard cette année. Les résultats de la première série de l'expérience g-2 doivent être attendus avec un optimisme prudent.