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Une nouvelle expérience a brisé les règles connues de la physique

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Cette expérience a brisé les règles connues de la physique. © Insider
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L'une des particules subatomiques les plus omniprésentes dans l'univers, le muon, semble mal se comporter. Ou du moins, il ne se comporte pas comme les physiciens s'y attendent. En fait, les muons s'écartent tellement des lois de la physique que les scientifiques commencent à penser que la connaissance que nous en avons est incomplète ou qu'il existe dans l'univers une force que nous ne connaissons pas encore.

Les muons sont comme de gros électrons : ils ont une charge négative mais sont 207 fois plus lourds que les électrons. Grâce à leur charge et à une propriété appelée "spin", ils agissent comme de minuscules aimants. Ainsi, lorsque les muons sont immergés dans un autre champ magnétique, ils subissent une oscillation infinitésimale. Mais dans une étude publiée cette semaine, des physiciens du Fermilab, dans l'Illinois, ont signalé un écart entre la quantité de muons qui devrait osciller et celle qui a effectivement oscillé au cours d'une expérience en laboratoire.

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La différence est suffisamment importante pour que de nombreux scientifiques soient convaincus que des particules ou des forces que nous n'avons pas encore découvertes doivent être impliquées. En d'autres termes, cette découverte constitue une nouvelle preuve que quelque chose de mystérieux a joué un rôle dans le façonnement de notre univers — quelque chose qui ne figure pas dans les règles actuelles de la physique.

"À cet égard, la nouvelle mesure pourrait bien marquer le début d'une révolution dans notre compréhension de la nature", a déclaré à Insider Thomas Teubner, physicien théoricien de l'université de Liverpool et coauteur de la nouvelle étude. Il est possible que ce phénomène inconnu soit également lié à la matière noire, le cousin obscur de la matière qui a été créé juste après le Big Bang et qui constitue un quart de l'univers.

Tirer des muons en cercle à la vitesse de la lumière

Lorsque les rayons cosmiques pénètrent dans l'atmosphère terrestre, ils créent des muons. Plusieurs centaines de muons frappent votre tête chaque seconde. Ils peuvent pénétrer les objets comme le font les rayons X — il y a quelques années, des scientifiques ont utilisé des muons pour découvrir une chambre cachée dans la Grande Pyramide d'Égypte — mais les particules ne durent que deux millionièmes de seconde. Après cela, elles se désintègrent en amas de particules plus légères.

Pendant sa brève existence, chaque muon reste orienté autour d'un seul point, de la même manière qu'une boussole indique toujours le nord. Mais lorsqu'il rencontre un champ magnétique, l'orientation du muon s'éloigne légèrement de ce point. C'est cette oscillation cruciale, connue sous le nom de facteur g, que l'expérience de Fermilab examine.

L'électro-aimant géant au départ de son transport de Long Island, New York, vers Batavia, dans l'Illinois. Brookhaven National Laboratory

Le Fermilab est un projet du ministère américain de l'énergie, lié à l'université de Chicago, qui se consacre à l'étude de la physique des particules. Les scientifiques peuvent y produire des muons à des fins d'étude en faisant passer un faisceau de protons très rapidement dans du métal à l'aide d'un accélérateur de particules.

Les chercheurs à l'origine de la nouvelle étude ont donc pris ces muons et les ont dirigés vers un électroaimant circulaire de 15 mètres de diamètre. Les muons ont ensuite voyagé à une vitesse proche de celle de la lumière en faisant plus de 1 000 fois le tour du cercle. Lorsque les muons se désintègrent dans la machine, des détecteurs ultra-sensibles peuvent mesurer la direction dans laquelle se déplacent les petites particules qui en résultent. Les physiciens peuvent alors utiliser cette information pour calculer où se trouve le point fixe de chaque muon.

L'électro-aimant était attendu par de nombreuses personnes à Batavia, dans l'Illinois. Reidar Hahn/Fermilab

Il devrait être possible de calculer la quantité précise de muons qui oscilleront en utilisant le modèle standard de la physique, qui englobe tout ce que nous savons du comportement des particules. Mais l'équipe du Fermilab a constaté que l'oscillation de leurs muons ne correspondait pas à ces attentes. Au contraire, elle était décalée d'un tiers de millionième de pour cent.

Cette différence peut sembler incroyablement faible, mais Thomas Teubner a déclaré qu'il s'agissait en fait d'une "étape importante pour la physique des particules". Et il est peu probable qu'elle soit le résultat d'une erreur : l'équipe a constaté qu'il n'y a qu'une chance sur 40 000 que l'écart dans leurs mesures soit dû au hasard. "Il s'agit d'une preuve solide que le muon est sensible à quelque chose qui n'est pas dans notre meilleure théorie", a déclaré Renee Fatemi, l'un des responsables de l'expérience muon de Fermilab, dans un communiqué de presse.

Un mystère vieux de 20 ans

Image prise par le télescope spatial TESS du Grand Nuage de Magellan (à droite) et de l'étoile brillante R Doradus (à gauche), le 7 août 2018. NASA/MIT/TESS

Ce n'est pas la première fois que les muons ne se comportent pas comme le prévoient les meilleures théories scientifiques. En 2001, le Brookhaven National Laboratory de New York a réalisé une expérience similaire en utilisant le même électroaimant géant. Ces résultats ont également montré que l'oscillation des muons en laboratoire s'écartait de ce qu'elle aurait dû être. Mais ces résultats avaient une importance statistique moindre que ceux du Fermilab : il y avait une chance sur 1 000 que ce soit un coup de chance.

Aujourd'hui, les résultats du Fermilab confirment ce que les physiciens de Brookhaven ont découvert il y a 20 ans — et cela "a rendu plus intrigante la divergence qui avait déjà été observée avec l'ancien résultat", a déclaré Thomas Teubner. Le Fermilab devrait publier les données de deux autres expériences similaires au cours des deux prochaines années. Une quatrième expérience est également déjà en cours, et une cinquième est en préparation.

Ce qui influence les muons pourrait avoir un lien avec la matière noire

Deux scientifiques du Fermilab travaillent sur un détecteur à la recherche de matière noire en 2014. Reidar Hahn/Fermilab

Selon Thomas Teubner, il est possible qu'une force qui ne fait pas partie du modèle standard de la physique puisse expliquer les vacillements des muons. Cette force, dit-il, pourrait également expliquer l'existence de la matière noire, et peut-être même de l'énergie noire, qui joue un rôle clé dans l'accélération de l'expansion de l'univers. "Les théoriciens trouveraient intéressant de résoudre plus d'un problème à la fois", déclare Thomas Teubner.

Une hypothèse qui pourrait s'appliquer à la fois aux muons et à la matière noire, a-t-il ajouté, est que les muons et toutes les autres particules ont des particules partenaires presque identiques qui interagissent faiblement avec eux. Ce concept est connu sous le nom de supersymétrie.

Mais les technologies actuelles du Fermilab ne sont pas assez sensibles pour tester cette idée. De plus, ajoute Thomas Teubner, il se pourrait que l'influence mystérieuse sur les muons ne soit pas du tout liée à la matière noire, ce qui signifierait que les règles de la physique sont inadéquates à plus d'un titre.

Version originale : Aylin Woodward/Insider

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