Rassembler des preuves d’un véritable écart entre l’expérience et la théorie –

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  • Aujourd’hui, la collaboration Muon g-2 a finalement publié le premier résultat très attendu de sa mesure du moment magnétique anormal du muon, une quantité de précision qui offre aux physiciens l’un des moyens les plus prometteurs pour tester les prédictions du modèle standard actuel de la physique des particules. . La valeur mesurée, qui est plus précise que toutes les valeurs précédentes, renforce la preuve de l’émergence d’une nouvelle physique au-delà du modèle standard, et donc de l’existence de particules ou de forces jusque-là inconnues. Le résultat a été présenté lors d’un séminaire en ligne au Fermilab (FNAL) et publié dans quatre articles scientifiques.

    «En 2014, j’ai commencé à travailler sur l’expérience Muon g-2 en tant que chercheur postdoctoral à l’Université de Washington, Seattle», explique le professeur Martin Fertl, qui a effectué des recherches dans le domaine de la physique des particules à basse énergie au PRISMA + Pôle d’excellence depuis 2019. “C’est pourquoi aujourd’hui est une journée vraiment spéciale. Nous pouvons désormais annoncer un premier résultat, tout en affirmant également que ce résultat a ouvert encore plus la porte à une physique jusqu’alors inconnue.”

    La nouvelle valeur expérimentale publiée aujourd’hui du moment magnétique anormal du muon est a (FNAL) = 116 592 040 (54) x 10 ^ (- 11), avec une incertitude relative de 460 parties dans un milliard. Combinée au résultat de l’expérience au Brookhaven National Laboratory achevée il y a plus de 20 ans, la nouvelle valeur moyenne expérimentale est a (Exp., Moy) = 116 592 061 (41) x 10 ^ (- 11). Cela contraste avec la valeur théorique prédite obtenue à partir du modèle standard de a (Theor.) = 116 591 810 (43) x 10 ^ (- 11). Les physiciens classent la différence entre ces deux valeurs comme 4,2 écarts types. En d’autres termes, la probabilité que cet écart entre l’expérience et la théorie soit dû au hasard est de 0,0025% (1 sur 40 000). Les physiciens considèrent qu’une découverte – dans ce cas, la réfutation du modèle standard – a été faite lorsque la probabilité est inférieure à 0,00005 pour cent correspondant à 5 écarts types.

    De nombreuses contributions de Mayence – à la fois expérimentales et théoriques

    Le groupe de travail PRISMA + de Martin Fertl est le seul en Allemagne à être impliqué dans la collaboration Muon g-2 à titre expérimental. La collaboration “count erpart” est la “Muon g-2 Theory Initiative”, une association mondiale de plus de 130 physiciens travaillant sur la prédiction théorique dans le cadre du modèle standard. L’initiative a été créée en 2017 comme un moyen d’unir les forces pour réduire considérablement l’incertitude sur la valeur prédite du moment magnétique anormal du muon. «L’année dernière, nous avons établi une norme commune pour la première fois et nous nous sommes mis d’accord sur une nouvelle valeur théorique dans le monde entier», déclare le professeur Hartmut Wittig, physicien théoricien et porte-parole du cluster d’excellence PRISMA +. “Notre objectif est, parallèlement à l’expérience, de continuer à affiner également la prédiction théorique.” Les physiciens de PRISMA + apportent ici des contributions cruciales, de la mesure des grandeurs expérimentales d’entrée au calcul de haute précision des contributions de l’interaction forte à l’aide de méthodes de chromodynamique quantique sur réseau sur le supercalculateur MOGON-II situé à Mayence.

    L’expérience voit-elle quelque chose qui n’est pas prédit par la théorie?

    La première fois qu’un écart – de 3,7 écarts-types – est apparu, c’est lorsque la prédiction théorique a été comparée aux résultats de l’expérience au Brookhaven National Laboratory, mentionnée ci-dessus. Au cours des 20 années qui ont suivi, le but de la recherche mondiale a été de déterminer si cet écart est “réel” ou “simplement” le résultat d’incertitudes systématiques en théorie et en expérience. L’expérience actuelle du Muon g-2 a été développée pour mesurer les propriétés magnétiques du muon avec plus de précision que jamais. La collaboration Muon g-2 implique plus de 200 scientifiques de 35 institutions dans sept pays.

    Le muon est le frère lourd de l’électron et ne survit qu’un millionième de fraction de seconde. Il possède un moment magnétique, une sorte de barreau magnétique interne miniature. Il possède également un moment angulaire de mécanique quantique, appelé spin, similaire à une toupie. Le facteur g est le rapport de la force observée de l’aimant à une estimation simple basée sur la charge électrique, la masse et le spin du muon. Le nom de l’expérience Muon g-2 est basé sur le fait que le “g” du muon s’écarte toujours légèrement – d’environ 0,1 pour cent – de la simple prédiction que g = 2. Cette anomalie est communément appelée moment magnétique anormal du muon (a = (g-2) / 2). L’expérience Muon g-2 mesure la vitesse de giration de “l’aiguille de la boussole interne” des muons dans un champ magnétique, ainsi que le champ magnétique lui-même, et à partir de là, elle peut déterminer le moment magnétique anormal. Le faisceau de muons est généré au Campus Muon de FNAL spécifiquement pour l’expérience – il a une pureté qui n’a jamais été atteinte auparavant.

    Plus de huit milliards de muons déjà mesurés

    «Notre première analyse, que nous présentons aujourd’hui, atteint déjà une précision légèrement meilleure que celle de l’expérience précédente – et nous avons réussi cela en évaluant seulement moins de 6% de l’ensemble de données prévu», explique Martin Fertl. . “En conséquence, nous pensons que notre objectif d’utiliser l’expérience Muon g-2 pour améliorer la précision de la valeur d’un facteur quatre pour atteindre 140 parties par milliard semble très réaliste.”

    Les données actuellement en cours d’analyse proviennent de la première série de mesures en 2018 – au cours de laquelle l’expérience du Laboratoire Fermi a déjà collecté plus de données que toutes les expériences précédentes combinées sur le facteur g du muon. Les deuxième et troisième tours sont également déjà «dans la boîte». Le troisième cycle a dû être brusquement annulé en raison de la pandémie mondiale de COVID-19, de sorte que le quatrième cycle est actuellement mené sous des restrictions de sécurité strictes et, dans une large mesure, à distance. Un cinquième tour est prévu pour l’automne 2021.

    Pour garantir l’objectivité des analyses, plusieurs équipes d’analyse travaillent en parallèle et indépendamment les unes des autres. L’expérience utilise également des techniques de mise en aveugle similaires à celles utilisées dans les essais cliniques. Tout d’abord, les équipes d’analyse relient les fréquences qu’elles mesurent à une horloge dont le rythme a été légèrement modifié – et qui tourne maintenant trop vite ou trop lentement. Une horloge murale de ce type, par exemple, tiquera 60 fois, mais le temps écoulé serait légèrement supérieur ou inférieur à une minute. Seules deux personnes au-delà de l’expérience connaissent le facteur par lequel l’horloge a été ajustée – dans l’expérience, cela correspond à un signal particulier sur les appareils de mesure de fréquence. Ce facteur n’est annoncé et peut ensuite être pris en compte dans le calcul que lorsque les résultats relatifs des équipes individuelles sont cohérents les uns avec les autres (connu sous le nom de «dénouement relatif»). Cette “levée de l’insu absolu” a eu lieu pour l’évaluation qui est présentée à la fin du mois de février 2021.

    La spécialité de Martin Fertl et de son groupe de travail est la mesure d’une extrême précision du champ magnétique dans l’anneau de stockage de muons sur toute la période de mesure de plusieurs années. Dans son ancien laboratoire, il avait déjà dirigé le développement d’un réseau de magnétomètres très sensibles basés sur le principe de la résonance magnétique nucléaire pulsée. Plusieurs centaines de ces têtes de mesure sont installées dans les parois des chambres à vide entourant les muons. 17 autres têtes de mesure encerclent à distance l’anneau de stockage, qui a un diamètre de 14 mètres, pour mesurer le champ magnétique appliqué de manière encore plus complète. «À l’aide d’autres systèmes d’étalonnage, nous visons à déterminer le champ magnétique dans l’anneau de stockage de muons avec une précision sans précédent. Ce n’est qu’une fois que nous comprendrons le champ magnétique de manière extrêmement précise et que nous pourrons également le mesurer, nous serons en mesure de déterminer le champ magnétique anormal. moment du muon au plus haut degré de précision », explique Martin Fertl. “Pour déterminer la valeur avec une précision de 140 parties par milliard – ce qui serait quatre fois plus précis que l’expérience précédente – nous devons être en mesure de mesurer le champ magnétique dans lequel les muons se déplacent avec une précision de 70 parties. par milliard. “

    Au fur et à mesure qu’ils progressaient vers cet objectif, les chercheurs ont rencontré des effets très intéressants et jusqu’ici inconnus. «Nous avons enregistré, par exemple, des changements temporels faibles mais significatifs dans le champ magnétique pour la première fois – et développé des têtes de mesure spéciales pour mesurer avec précision cet effet. Ces résultats peuvent nous aider à améliorer notre compréhension du champ magnétique et ainsi à affiner notre expérience Muon g-2. Cette approche “work in progress” nous rapprochera de plus en plus au cours des prochaines années de notre objectif ultime de répondre définitivement à la question de savoir si le moment magnétique anormal du muon est la clé d’une nouvelle physique . “

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