Muon g-2 double avec la dernière mesure, explore un territoire inexploré à la recherche d’une nouvelle physique

Une collaboration internationale de scientifiques travaillant sur l’expérience Muon g-2 au Fermi National Accelerator Laboratory du Département américain de l’énergie a annoncé la mesure mise à jour très attendue le 10 août. Cette nouvelle valeur renforce le premier résultat annoncé en avril 2021 et met en place une confrontation entre la théorie et l’expérience de plus de 20 ans.

“Nous sondons vraiment un nouveau territoire. Nous déterminons le moment magnétique du muon avec une meilleure précision qu’il n’a jamais été vu auparavant”, a déclaré Brendan Casey, scientifique principal au Fermilab qui travaille sur l’expérience Muon g-2 depuis 2008.

Les physiciens décrivent comment l’univers fonctionne à son niveau le plus fondamental avec une théorie connue sous le nom de modèle standard. En faisant des prédictions basées sur le modèle standard et en les comparant aux résultats expérimentaux, les physiciens peuvent déterminer si la théorie est complète ou s’il existe une physique au-delà du modèle standard.

Les muons sont des particules fondamentales similaires aux électrons mais environ 200 fois plus massives. Comme les électrons, les muons ont un minuscule aimant interne qui, en présence d’un champ magnétique, précède ou vacille comme l’axe d’une toupie. La vitesse de précession dans un champ magnétique donné dépend du moment magnétique du muon, généralement représenté par la lettre g; au niveau le plus simple, la théorie prédit que g doit être égal à 2.

La différence de g de 2 — ou g moins 2 — peut être attribué aux interactions du muon avec des particules dans une mousse quantique qui l’entoure. Ces particules clignotent dans et hors de l’existence et, comme des “partenaires de danse” subatomiques, attrapent la “main” du muon et changent la façon dont le muon interagit avec le champ magnétique. Le modèle standard intègre toutes les particules connues de “partenaires de danse” et prédit comment la mousse quantique change g. Mais il pourrait y en avoir plus. Les physiciens sont enthousiasmés par l’existence possible de particules encore inconnues qui contribuent à la valeur de g-2 — et ouvrirait la porte à l’exploration d’une nouvelle physique.

Le nouveau résultat expérimental, basé sur les trois premières années de données, annoncé par la collaboration Muon g-2 est :

g-2 = 0,00233184110 +/- 0,00000000043 (stat.) +/- 0,00000000019 (syst.)

La mesure de g-2 correspond à une précision de 0,20 partie par million. La collaboration Muon g-2 décrit le résultat dans un article qu’ils ont soumis aujourd’hui à Lettres d’examen physique.

Avec cette mesure, la collaboration a déjà atteint son objectif de réduire un type particulier d’incertitude : l’incertitude causée par des imperfections expérimentales, appelées incertitudes systématiques.

“Cette mesure est une réalisation expérimentale incroyable”, a déclaré Peter Winter, co-porte-parole de la collaboration Muon g-2. “Abaisser l’incertitude systématique à ce niveau est un gros problème et c’est quelque chose que nous ne nous attendions pas à réaliser si tôt.”

Alors que l’incertitude systématique totale a déjà dépassé l’objectif de conception, l’aspect plus large de l’incertitude – l’incertitude statistique – est déterminé par la quantité de données analysées. Le résultat annoncé aujourd’hui ajoute deux années supplémentaires de données à leur premier résultat. L’expérience du Fermilab atteindra son incertitude statistique ultime une fois que les scientifiques auront intégré les six années de données dans leur analyse, ce que la collaboration vise à achever dans les deux prochaines années.

Pour effectuer la mesure, la collaboration Muon g-2 a envoyé à plusieurs reprises un faisceau de muons dans un anneau de stockage magnétique supraconducteur de 50 pieds de diamètre, où ils ont circulé environ 1 000 fois à une vitesse proche de la lumière. Des détecteurs bordant l’anneau ont permis aux scientifiques de déterminer la vitesse de précession des muons. Les physiciens doivent également mesurer précisément l’intensité du champ magnétique pour ensuite déterminer la valeur de g-2.

L’expérience Fermilab a réutilisé un anneau de stockage construit à l’origine pour l’expérience précédente Muon g-2 au Laboratoire national de Brookhaven du DOE qui s’est terminée en 2001. En 2013, la collaboration a transporté l’anneau de stockage à 3 200 miles de Long Island, New York, à Batavia, Illinois. Au cours des quatre années suivantes, la collaboration a assemblé l’expérience avec des techniques, des instruments et des simulations améliorés. L’objectif principal de l’expérience du laboratoire Fermi est de réduire l’incertitude de g-2 d’un facteur quatre par rapport au résultat de Brookhaven.

“Notre nouvelle mesure est très excitante car elle nous emmène bien au-delà de la sensibilité de Brookhaven”, a déclaré Graziano Venanzoni, professeur à l’Université de Liverpool affilié à l’Institut national italien de physique nucléaire de Pise et co-porte-parole de l’expérience Muon g-2. au Laboratoire Fermi.

En plus du plus grand ensemble de données, cette dernière mesure de g-2 est améliorée par des mises à jour de l’expérience Fermilab elle-même. “Nous avons amélioré beaucoup de choses entre notre première année de collecte de données et nos deuxième et troisième années”, a déclaré Casey, qui a récemment terminé son mandat de co-porte-parole de Venanzoni. “Nous améliorons constamment l’expérience.”

L’expérience « tirait vraiment sur tous les cylindres » pendant les trois dernières années de prise de données, qui se sont terminées le 9 juillet 2023. C’est alors que la collaboration a coupé le faisceau de muons, concluant l’expérience après six ans de collecte de données. . Ils ont atteint l’objectif de collecter un ensemble de données plus de 21 fois plus grand que l’ensemble de données de Brookhaven.

Les physiciens peuvent calculer les effets des “partenaires de danse” connus du modèle standard sur le muon g-2 avec une précision incroyable. Les calculs prennent en compte les forces électromagnétiques, nucléaires faibles et nucléaires fortes, y compris les photons, les électrons, les quarks, les gluons, les neutrinos, les bosons W et Z et le boson de Higgs. Si le modèle standard est correct, cette prédiction ultra-précise devrait correspondre à la mesure expérimentale.

Le calcul de la prédiction du modèle standard pour le muon g-2 est très difficile. En 2020, la Muon g-2 Theory Initiative a annoncé la meilleure prédiction du modèle standard pour le muon g-2 disponible à ce moment-là. Mais une nouvelle mesure expérimentale des données qui alimente la prédiction et un nouveau calcul basé sur une approche théorique différente – la théorie de jauge de réseau – sont en tension avec le calcul de 2020. Les scientifiques de l’initiative Muon g-2 Theory visent à disposer d’une nouvelle prédiction améliorée dans les deux prochaines années qui prend en compte les deux approches théoriques.

La collaboration Muon g-2 comprend près de 200 scientifiques de 34 institutions dans sept pays et compte jusqu’à présent près de 40 étudiants qui ont reçu leur doctorat sur la base de leurs travaux sur l’expérience. Les collaborateurs passeront maintenant les deux prochaines années à analyser les trois dernières années de données. “Nous nous attendons à un autre facteur de précision de deux à la fin”, a déclaré Venanzoni.

La collaboration prévoit de publier sa dernière mesure la plus précise du moment magnétique du muon en 2025, mettant en place la confrontation ultime entre la théorie du modèle standard et l’expérience. Jusque-là, les physiciens disposent d’une mesure nouvelle et améliorée du muon g-2 qui constitue une étape importante vers son objectif physique final.

L’expérience Muon g-2 est soutenue par le Department of Energy (États-Unis) ; National Science Foundation (États-Unis); Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Italie); Conseil des installations scientifiques et technologiques (Royaume-Uni); Société royale (Royaume-Uni) ; Horizon 2020 de l’Union européenne ; Fondation nationale des sciences naturelles de Chine ; MSIP, NRF et IBS-R017-D1 (République de Corée) ; et la Fondation allemande pour la recherche (DFG).

Vidéo: https://youtu.be/hkHd_wxMfrs

Enregistrement de la séminaire scientifique tenue le 10 août 2023