" Une possible révolution complète " : le muon mènera-t-il à une nouvelle physique des particules ?

, par  DMigneau , popularité : 0%

" Une possible révolution complète " : le muon mènera-t-il à une nouvelle physique des particules ?

Les accélérateurs de particules permettent d’étudier le comportement des particules, à l’échelle de l’infiniment petit. FABRICE COFFRINI / AFP

De récentes découvertes sur le " muon ", une particule élémentaire, pourraient bouleverser la physique moderne, en poussant son modèle standard à évoluer.

De simples équations peuvent parfois changer le monde. En 1860, le physicien James Clerk Maxwell en a fait l’expérience, produisant un modèle unifié de " l’électromagnétisme " et mettant en place une partie des lois fondamentales de la physique.

Il y a fort à parier qu’à l’époque, il était loin de se douter que des années plus tard, cela changerait aussi radicalement nos sociétés. " Si Maxwell s’était entêté à perfectionner la bougie plutôt que de s’intéresser à la relation entre l’électricité, le magnétisme et la lumière, on n’aurait pas la radio, ni la télévision, ni le wifi, ni la téléphonie mobile ", assure Laurent Lellouch, directeur de recherche CNRS au " Centre de physique théorique " et à " l’Institut physique de l’univers ".

Aujourd’hui, de récentes découvertes pourraient entraîner un bouleversement similaire.

Mercredi 7 avril, des études ont confirmé que le « muon », une particule élémentaire, ne se comporte pas exactement comme le prédit le modèle standard de la physique des particules. L’anomalie pourrait le forcer à évoluer et mener à la mise en lumière d’une nouvelle particule, voire d’une nouvelle force régissant le comportement à l’échelle de l’infiniment petit.

Une découverte retentissante, accueillies avec d’autant plus d’enthousiasme que les résultats montrent qu’il n’y a qu’1 chance sur 40 000 pour que le modèle en place explique cette irrégularité.

Mais en physique des particules, 1 chance sur 40 000, c’est encore trop. Ces travaux, menés au " Fermilab ", accélérateur de particules situé près de Chicago, aux États-Unis, doivent donc être regardés avec précaution. Explications de Laurent Lellouch, co-responsable d’une équipe internationale qui vient de publier, dans la revue " Nature ", un nouveau calcul à propos de l’anomalie du muon.

- Marianne : Qu’appelle-t-on " le modèle standard " et que permet-il d’expliquer ?

Laurent Lellouch : Le modèle standard est, en quelque sorte, le résumé mathématique de près d’un siècle de découvertes liées aux particules élémentaires, les plus petites unités de matière, indivisibles.

Ce sont, par exemple, les composants des atomes et de leurs noyaux.

Dans la seconde moitié du 20ème siècle, grâce aux nombreuses découvertes auprès d’accélérateurs de particules et dans les rayons cosmiques, les physiciens s’accordent enfin sur une série d’équations dont la forme la plus condensée peut tenir en quelques lignes.

C’est le « modèle standard » : il décrit toutes les particules connues, mais aussi leurs interactions les unes avec les autres.

Il contient trois interactions fondamentales, prédisant le comportement de la matière à l’échelle de « l’infiniment petit ».

L’interaction faible, incluant la radioactivité.

L’interaction forte, qui explique entre autres la cohésion du noyau des atomes et donne l’essentiel de sa masse à la matière.

Et enfin l’interaction électromagnétique : c’est la lumière, les ondes radios, l’électronique

Depuis la mise en place du « modèle standard », de nombreuses expériences ont été menées pour s’assurer de sa fiabilité. Pour l’instant, pratiquement toutes ses grandes prédictions ont été vérifiées. La découverte en 2012 du « boson de Higgs-Brout-Englert » au " Large Hadron Collider " (LHC) du Cern, à la frontière avec la Suisse, en est un exemple extraordinaire.

La vocation première de ces accélérateurs de particules est justement de révolutionner notre compréhension de l’infiniment petit, en mettant en évidence de nouvelles particules élémentaires ou de nouvelles forces.

- Marianne : Mais pourrait-il être amené à évoluer ?

Laurent Lellouch : Le « modèle standard » est une théorie exceptionnelle : il décrit tous les constituants fondamentaux de la matière. Mais on ne parvient à y inclure certains phénomènes essentiels. Il manque, par exemple, « l’interaction gravitationnelle », la quatrième force fondamentale.

On n’arrive pas à l’intégrer au modèle.

Idem pour « l’énergie sombre » et la « matière sombre ». À elles deux, elles constituent 95 % de l’Univers : cela signifie que le « modèle standard » parvient à en expliquer seulement… 5 %. Le reste, on ne sait pas vraiment ce que c’est.

Mais ce sont les 5 % qui nous entourent.

Le « modèle standard » explique tout ce qu’on voit, mais ne dit pas tout ce que l’on veut comprendre : il est voué à évoluer, reste à savoir quand et comment.

- Marianne : Et c’est ce que les recherches sur le muon pourraient initier…

Laurent Lellouch : Peut-être, mais il est trop tôt pour le dire. Le « modèle standard » a été construit en partie grâce à l’étude muon. Il s’agit d’une particule élémentaire ressemblant à l’électron, qui gravite autour du noyau des atomes.

En physique des particules, on compare les prédictions du « modèle standard » aux expériences que l’on mène. Pour le muon, il y a un désaccord entre la théorie et la mesure dans une de ses propriétés, qu’on appelle " moment magnétique ".

On connaissait cet écart depuis une mesure de ce " moment magnétique " au " Brookhaven National Laboratory ", dans l’état de New York, il a une vingtaine d’années. Il était alors trop petit pour remettre en cause le « modèle standard », mais trop important pour être ignoré. Il fallait donc régler ce problème, soit en montrant que l’écart deviendrait suffisamment important après avoir affiné les mesures, soit - au contraire - en montrant qu’il s’amenuiserait.

Justement, le 7 avril, une nouvelle expérience, appelée " Muon g-2 ", du " Fermilab ", a confirmé ce désaccord de manière magistrale. Avant, la probabilité que ce soit une " coïncidence statistique " était de 1 sur 4 500.

Désormais, elle n’est plus que de 1 sur 40 000 !

Certes, pour les physiciens, ça ne suffit pas : il faut être bien en deçà d’une chance sur un million pour que la preuve soit irréfutable. Mais cela veut tout de même dire qu’il y a 39 999 chances sur 40 000 qu’il faille que le « modèle standard » évolue !

Tout cela est d’autant plus passionnant qu’une autre expérience, au Cern cette fois-ci, a montré, au mois de mars, un autre effet, dans lequel le muon fait des siennes, s’écartant des prédictions du modèle standard. La " pertinence statistique " de l’effet est moins importante que pour le " moment magnétique " du muon, mais, il faut rester vigilant.

Tout va dépendre des mois et années qui arrivent, on entre dans une période charnière : soit l’écart va se réduire, soit au contraire, il va être confirmé, et il faudra alors mettre en place une nouvelle physique.

- Marianne : Que voulez-vous dire par une “ nouvelle physique ” ?

Laurent Lellouch : Il faudra comprendre ce à quoi ce désaccord entre « théorie » et « expérience » est dû.

Est-ce à cause d’une autre particule, avec laquelle le muon interagit ou d’une nouvelle interaction ?

Découvrir une nouvelle particule ou force, c’est incroyable. Même si elle rentrait dans le " cadre général " sur lequel est bâti le « modèle standard », les répercussions seraient énormes.

On ne parle pas pour autant de remettre en cause ses fondamentaux, comme la « relativité restreinte » ou la « mécanique quantique ». Par contre, chacun y va de sa théorie, il y a déjà plus de soixante publications depuis celle du 7 avril ! Cette physique nouvelle devrait donc prendre en compte toutes les contraintes actuelles tout en expliquant le comportement inhabituel lié au muon.

- Marianne : Si ce n’est pas le cas avec le muon, peut-on tout de même envisager que ce « modèle standard » vole en éclat un jour ?

Laurent Lellouch : Il explique très bien pratiquement tous les phénomènes observés dans les accélérateurs de particules et rayons cosmiques. Mais à propos de " l’énergie sombre ", sans être « cosmologue », j’ai le sentiment qu’on est tellement loin de pouvoir expliquer son existence avec nos théories actuelles, qu’il faudra possiblement une révolution complète de la physique.

Ou alors, peut-être qu’on se rendra compte qu’il y a " juste " quelque chose que l’on n’a pas bien compris dans les mesures qui montrent son existence ou dans leur interprétation : on arriverait alors à l’inclure dans nos équations actuelles.

Le même jour que la publication du " Fermilab ", le 7 avril, nous avons publié les résultats d’une nouvelle approche des prédictions du « modèle standard ». Or, pour des raisons que nous ne comprenons pas encore, notre méthode semble indiquer qu’au contraire, il prédit correctement la valeur mesurée du " moment magnétique " du muon.

Pour trancher définitivement, il faudra attendre que le résultat de notre calcul soit confirmé par d’autres équipes, et comprendre d’où vient la différence entre les approches théoriques.

Il faudra également patienter quelques années avant la publication des résultats définitifs de l’expérience " Muon g-2 " du " Fermilab " et d’une expérience ayant des objectifs similaires, menée au Japon.

- Marianne : Depuis une quinzaine de jours, on a énormément entendu parler de ces travaux. Pourquoi sont-ils si importants ?

Laurent Lellouch : On ne sait pas encore si ces travaux nous conduirons vers une nouvelle physique. Mais plus généralement, quand on découvre de nouvelles lois fondamentales en physique, cela peut déboucher sur des applications dont on ne soupçonne même pas l’existence.

Au début du 20ème siècle, on a compris comment les atomes émettent de la lumière. Une centaine d’années plus tard, cela permet de mettre au point des ordinateurs quantiques, qui pourraient faciliter la résolution de problèmes insolubles jusqu’ici.

Il en va de même pour la radioactivité ou les phénomènes électromagnétiques. Tout cela paraît abstrait, mais si Maxwell s’était entêté à perfectionner la bougie plutôt que de s’intéresser à la relation entre l’électricité, le magnétisme et la lumière, on n’aurait pas la radio, ni la télévision, ni le " wifi ", ni la téléphonie mobile, …

Margot BRUNET

Marianne.fr

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