Pendant des décennies, les physiciens ont fixé une minuscule particule subatomique appelée le muon en chuchotant avec excitation à propos d'une potentielle cinquième force de la nature. Aujourd'hui, une équipe de recherche internationale dirigée par un physicien de Penn State a douché les espoirs. Leurs résultats, publiés dans la revue Nature, suggèrent que la divergence longtemps observée dans le comportement magnétique du muon n'était pas du tout un signe de nouvelle physique - c'était juste un problème de maths.

Le mystère tournait autour du muon, une particule à courte durée de vie qui est essentiellement le cousin plus costaud de l'électron, pesant environ 200 fois plus. Pendant plus de 60 ans, les mesures du moment magnétique du muon - à quel point il se comporte comme un minuscule aimant - semblaient en désaccord avec les prédictions du Modèle Standard, le règlement pour toutes les particules et forces fondamentales connues. Ce décalage a fait espérer à tous des particules non découvertes ou même une glamour nouvelle « cinquième force » au-delà des quatre habituelles.

« Il y a eu de nombreux calculs au cours des 60 dernières années environ, et à mesure qu'ils devenaient plus précis, ils pointaient tous vers une divergence et une nouvelle interaction qui bouleverserait les lois connues de la physique », a déclaré Zoltan Fodor, professeur distingué de physique à Penn State et auteur principal de l'étude. « Nous avons appliqué une nouvelle méthode pour calculer cette quantité de divergence, et nous avons montré qu'elle n'existe pas. Cette nouvelle interaction que nous espérions n'est tout simplement pas là. Les anciennes interactions peuvent expliquer complètement la valeur. »

L'équipe a passé plus d'une décennie à affiner son calcul, amenant finalement les prédictions théoriques et les mesures expérimentales en accord à moins d'un demi-écart type. Le résultat confirme le Modèle Standard à 11 décimales et réduit considérablement les chances que de la physique inconnue se cache dans cette mesure particulière.

« Les gens me demandent ce que ça fait de faire cette découverte et, honnêtement, je me sens un peu triste », a admis Fodor. « Quand nous avons commencé à calculer cette quantité, nous pensions que nous allions obtenir un calcul bon et fiable pour une nouvelle cinquième force. Au lieu de cela, nous avons découvert qu'il n'y a pas de cinquième force. Nous avons trouvé une preuve très précise non seulement du Modèle Standard, mais aussi de la théorie quantique des champs, qui est le fondement sur lequel le Modèle Standard a été construit. »

La recherche s'est concentrée sur le moment magnétique anormal du muon, ou g−2, une minuscule déviation par rapport à la valeur attendue de exactement deux. Parce que les muons sont plus lourds que les électrons, ils sont inhabituellement sensibles aux effets quantiques éphémères - des particules qui apparaissent et disparaissent dans l'espace vide. Les expériences au CERN dans les années 1960 et 1970, plus tard au Laboratoire national de Brookhaven, et plus récemment au Laboratoire national de l'accélérateur Fermi ont toutes mesuré cela avec une précision remarquable, remportant le Prix Breakthrough en physique fondamentale. Mais les chiffres n'ont jamais tout à fait correspondu à la théorie - jusqu'à maintenant.

Le principal casse-tête venait de la force forte, la plus puissante des quatre forces connues, qui lie les quarks ensemble à l'intérieur des protons et des neutrons. Contrairement à la gravité ou à l'électromagnétisme, la force forte devient plus forte à mesure que les particules s'éloignent - comme un élastique qui se resserre plus on tire. Pour prédire avec précision le comportement du muon, l'équipe a utilisé la chromodynamique quantique sur réseau, une technique de calcul qui simule la force forte sur des superordinateurs en divisant l'espace et le temps en une grille extrêmement fine.

« L'ancienne méthodologie impliquait de collecter des milliers de résultats expérimentaux et de les réinterpréter pour obtenir le nombre unique, le moment magnétique du muon », a déclaré Fodor. « Notre approche était complètement différente. Nous avons divisé l'espace-temps en très petites cellules, un réseau, puis nous avons résolu les équations du Modèle Standard sur celui-ci. »

Au cours de la dernière décennie, l'équipe a combiné les calculs sur réseau pour les distances courtes et moyennes avec des mesures expérimentales hautement fiables pour les distances plus grandes, en utilisant des réseaux plus fins que les études précédentes pour réduire l'incertitude. Le calcul final représente la détermination la plus précise à ce jour du moment magnétique du muon.