La physique polarisée par les rotations d’une particule


L’anneau Muon g-2 permet d’étudier la précession (ou oscillation) des muons lorsqu’ils traversent le champ magnétique.

Une expérience internationale installée au FermiLab, près de Chicago (Etats-Unis), vient d’annoncer être à un cheveu d’une découverte majeure en physique. « Nous pourrions être au bord d’avoir le premier signe qu’il y aurait une nouvelle force ou une nouvelle particule, au-delà de tout ce que nous connaissons », estime Lawrence Gibbons, de l’université Cornell et membre de la collaboration internationale qui publie son résultat majeur dans Physical Review Letters le 7 avril, complété par trois autres articles.

Quinze ans que la communauté scientifique attendait ces résultats.

En physique, il y a deux manières de faire une découverte. Soit directement, en pointant un télescope dans le ciel, comme les astronomes l’ont fait au XVIIIe siècle pour voir la septième planète du système solaire, Uranus. Ou comme en 2012 lorsque, dans les débris de collisions violentes au CERN, une nouvelle particule a été repérée, le boson de Higgs.

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Soit indirectement, en constatant que des phénomènes ne tournent pas aussi rond que prévu, signe d’effets inconnus, stimulants à élucider. Comme lorsque l’astronome Urbain Le Verrier prédit l’existence de Neptune au XIXe siècle en analysant les perturbations de la rotation d’Uranus. Ou comme des théoriciens en 1973 supposèrent, pour expliquer une anomalie expérimentale, l’existence de deux nouvelles particules, découvertes quatre ans plus tard.

C’est cette seconde voie qu’a choisie l’expérience du FermiLab, au nom un peu barbare de Muon g-2. Impliquant deux cents chercheurs de sept pays, elle est la copie améliorée d’une précédente, installée 15 ans plus tôt à 1 000 kilomètres de là près de New York et qui avait déjà trouvé quelques signes avant-coureurs d’une possible faille dans les théories.

Equivalent d’une IRM

Plus précisément, l’expérience vise à faire passer l’équivalent d’une IRM à une particule, le muon. Cette particule chargée, découverte il y a 75 ans, est une cousine de l’électron, 200 fois plus lourde et à la vie très brève, 2 microsecondes. En outre, elle possède une aimantation, dont il s’agit de tester si elle se comporte comme la théorie le prévoit. Pour cela, des milliards de muons sont envoyés à des vitesses proches de celle de la lumière dans un anneau circulaire de 14 mètres de diamètre et y tournent grâce à un champ magnétique comparable à celui d’un appareil d’IRM. Après 4 000 tours, les muons finissent par se désintégrer en particules qui sont détectées hors de l’anneau et dont la direction de fuite est reliée à l’aimantation de leur « parent », appelée moment magnétique.

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