Un muon vacillant pourrait percer les mystères de l’univers

C’est une période passionnante en physique des particules. Les résultats d’une nouvelle expérience sur Fermilab dans l’Illinois – impliquant une particule subatomique oscillant étrangement – pourraient ouvrir la voie à de nouvelles façons de comprendre notre univers.

Pour comprendre pourquoi les physiciens sont si enthousiastes, considérez la tâche ambitieuse qu’ils se sont fixée: décoder les éléments fondamentaux de tout ce qui se trouve dans l’univers. Pendant des décennies, ils ont essayé de le faire en construisant une grande théorie globale connue sous le nom de modèle standard.

Le modèle standard est comme un glossaire, décrivant tous les éléments constitutifs de l’univers que nous avons trouvés jusqu’à présent: des particules subatomiques comme les électrons, les neutrinos et les quarks qui composent tout ce qui nous entoure, et trois des quatre forces fondamentales (électromagnétiques, faible et fort) qui maintiennent tout ensemble.

Mais, comme le dit à Vox Jessica Esquivel, physicienne des particules au Laboratoire Fermi, les scientifiques soupçonnent que ce modèle est incomplet.

«L’une des principales raisons pour lesquelles nous savons qu’il est incomplet est la gravité. Nous savons que cela existe parce que les pommes tombent des arbres et que je ne flotte pas sur mon siège », dit Esquivel. Mais ils n’ont pas encore trouvé de particule fondamentale qui transmet la force de gravité, donc ce n’est pas dans le modèle standard.

Esquivel dit que le modèle n’explique pas non plus deux des plus grands mystères de l’univers: la matière noire, une substance insaisissable qui maintient les galaxies ensemble, et l’énergie sombre, une force encore plus mal comprise qui accélère l’expansion de l’univers. Et comme l’écrasante majorité de l’univers pourrait être composée de matière noire et d’énergie noire, c’est un assez gros oubli.

Le problème est que, à lui seul, le modèle standard fonctionne très bien. Il décrit la matière et l’énergie avec lesquelles nous sommes le plus familiers, et comment tout cela fonctionne ensemble, superbement. Pourtant, alors que les physiciens ont essayé d’élargir le modèle pour tenir compte de la gravité, de la matière noire et de l’énergie noire, ils ont toujours échoué.

C’est pourquoi Esquivel et les nombreux autres physiciens des particules à qui nous avons parlé sont si enthousiasmés par les résultats d’une nouvelle expérience au Fermilab. Il implique des muons – des particules subatomiques qui sont comme les cousins ​​plus lourds et moins stables des électrons. Et cette expérience avec ces muons aurait pu, enfin, confirmer une fissure dans le modèle standard à explorer par les physiciens des particules. Il est possible que le crack les amène à trouver de nouveaux éléments fondamentaux de la nature.

Esquivel a travaillé sur l’expérience, nous lui avons donc demandé de nous guider pour le podcast inexplicable. Ce qui suit est une transcription de cette conversation, éditée pour plus de clarté et de longueur.

oam Hassenfeld

Quelle était cette expérience sur les muons?

Jessica Esquivel

Ainsi, au Laboratoire Fermi, nous pouvons créer des faisceaux de particules de muons – un faisceau très, très intense. Vous pouvez l’imaginer comme un faisceau laser de particules. Et nous leur envoyons des détecteurs. Et puis en prenant une mesure super, très proche de ces muons, nous pouvons l’utiliser comme une sorte de sonde en physique au-delà de notre modèle standard.

Noam Hassenfeld

Alors, comment, exactement, cette expérience sur les muons pointe-t-elle vers un trou dans le modèle ou vers une nouvelle particule pour combler cette lacune?

Jessica Esquivel

L’expérience du muon g-2 prend donc en fait une mesure très précise de cette chose que nous appelons la fréquence de précession. Et ce que cela signifie, c’est que nous tirons tout un tas de muons dans un champ magnétique très, très précis et nous les regardons danser.

Noam Hassenfeld

Ils dancent?

Jessica Esquivel

Oui! Lorsque les muons entrent dans un champ magnétique, ils précèdent ou tournent comme une toupie.

L’une des choses vraiment étranges de science-fiction quantique qui se produit est que lorsque vous êtes dans le vide ou dans un espace vide, il n’est en fait pas vide. Il est rempli de cette mer bouillonnante et bouillonnante de particules virtuelles qui surgissent et disparaissent quand elles le souhaitent, spontanément. Ainsi, lorsque nous lançons des muons dans ce vide, il n’y a pas que des muons autour de notre aimant. Ces particules virtuelles apparaissent et sortent et changent la façon dont le muon oscille.

Noam Hassenfeld

Attendez, désolé … que sont exactement ces particules virtuelles qui entrent et sortent?

Jessica Esquivel

Donc, les particules virtuelles, je … les vois comme des fantômes de particules réelles. Nous avons des photons qui apparaissent et sortent et ils sont un peu comme là, mais pas vraiment là. Je pense qu’une très bonne représentation de cela, l’étrangeté de la mécanique quantique, est Ant-Man. Il y a cette scène où il se réduit au royaume quantique, et il reste coincé et tout est un peu comme vacillant et quelque chose est là, mais ce n’est vraiment pas là.

C’est un peu comme ce que sont les particules virtuelles. Ce ne sont que des indices de particules que nous avons l’habitude de voir. Mais ils ne sont pas vraiment là. Ils entrent et sortent juste et gâchent les choses.

Noam Hassenfeld

Donc, la mécanique quantique dit qu’il y a des particules virtuelles, un peu comme des fantômes de particules que nous connaissons déjà dans notre modèle standard, qui apparaissent et disparaissent de l’existence. Et ils heurtent des muons et les font vaciller?

Jessica Esquivel

Oui. Mais encore une fois, les physiciens théoriciens le savent et ils ont proposé une très bonne théorie sur la façon dont le muon changera en fonction des particules qui entrent et sortent. Nous savons donc précisément comment chacune de ces particules interagit les unes avec les autres et dans le champ magnétique, et elles construisent leurs théories sur la base de ce que nous savons déjà – ce qui est dans le modèle standard.

Noam Hassenfeld

J’ai compris. Donc, même s’il y a ces particules fantômes virtuelles qui entrent et sortent, tant qu’elles sont des versions de particules que nous connaissons, alors les physiciens peuvent prédire exactement comment les muons vont osciller. Alors, les prédictions étaient-elles erronées?

Jessica Esquivel

Donc, ce que nous venons de dévoiler, c’est que la mesure précise ne correspond pas aux prévisions théoriques de la façon dont les muons sont censés osciller dans un champ magnétique. Il a vacillé différemment.

Noam Hassenfeld

Et l’idée est que vous n’avez aucune idée de ce qui lui fait faire ce vacillement supplémentaire, donc c’est peut-être quelque chose qui n’a pas encore été découvert? Quelque chose en dehors du modèle standard?

Jessica Esquivel

Oui exactement. Ce n’est pas encore considéré comme une nouvelle physique parce qu’en tant que physiciens, nous nous fixons une barre très haute à atteindre avant de dire que quelque chose est potentiellement nouvelle physique. Et c’est 5 sigma [a measure of the probability that this finding wasn’t a statistical error, or a random accident.] Et pour l’instant, nous sommes à 4,2 sigma. Mais c’est assez excitant.

Noam Hassenfeld

Donc, si cela efface cette barre, cela briserait-il le modèle standard? Parce que j’ai vu ce cadrage dans un tas de titres.

Jessica Esquivel

Non, je ne pense pas que je dirais que le modèle standard est cassé. Je veux dire, nous savons depuis longtemps qu’il manque des choses. Ce n’est donc pas que ce qui est là ne fonctionne pas comme il est censé fonctionner.

C’est juste que nous ajoutons potentiellement plus de choses au modèle standard. Tout comme à l’époque où les scientifiques ajoutaient plus d’éléments au tableau périodique … même à l’époque, ils avaient des endroits où ils savaient qu’un élément devrait aller, mais ils n’avaient pas encore pu le voir. C’est essentiellement là où nous en sommes actuellement. Nous savons que nous avons le modèle standard, mais il nous manque des choses. Nous avons donc des trous que nous essayons de combler.

Noam Hassenfeld

À quel point tout cela est-il excitant?

Jessica Esquivel

Je pense que c’est comme un moment décisif pour ma carrière. C’est une fois dans une vie. Nous recherchons une nouvelle physique et nous sommes si proches que nous pouvons la goûter.

Ce que j’étudie ne figure dans aucun manuel que j’ai lu ou parcouru auparavant, et le fait que le travail que je fais pourrait éventuellement se trouver dans des manuels à l’avenir … particule de matière noire que g-2 a joué un rôle dans la recherche … ça me donne des frissons rien qu’en y pensant!