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14 avril 2021
Asawra
L’anneau du Muon g-2. L’expérience du FermLab, Reidar Hahn / Fermilab
Les deux grandes théories physiques du XXe siècle résistent encore et toujours aux assauts répétés des scientifiques. Que ce soit la théorie de la relativité générale pour l’infiniment grand (qui décrit le fonctionnement de la gravité) ou le modèle standard de la physique des particules pour l’infiniment petit (qui décrit le fonctionnement des trois autres interactions fondamentales :
électromagnétisme, interactions faible et forte), ces deux formalismes peinent à être mis en défaut. Le Graal de la physique serait évidemment de réunir les quatre forces fondamentales dans une même théorie unificatrice, mais il serait utile pour cela de savoir dans quelle direction s’orienter. Or c’est en naviguant dans les recoins les plus reculés, aux frontières de leurs capacités prédictives, que l’on peut espérer déchirer le voile qui recouvre encore ce qui nous reste à découvrir.
Pour ce qui concerne le modèle standard, qui nous intéressera ici, il existe à vrai dire deux grandes méthodes. La première consiste à envoyer des particules les unes contre les autres le plus violemment possible pour tenter d’en créer de nouvelles. Plus on augmente l’énergie des collisions, plus on explore de nouveaux territoires. C’est ce que les chercheurs du Cern réalisent par exemple au LHC, à Genève, le plus grand accélérateur de particules au monde, où fut mis au jour en 2012, le boson de Higgs. Elle n’a toutefois donné aucun résultat révolutionnaire depuis…
Cela a d’une certaine façon relancé l’intérêt de la communauté pour la deuxième voie : mesurer avec une très grande précision certaines propriétés des particules avec l’espoir de découvrir des bizarreries qui ouvriraient des brèches vers une nouvelle physique. C’est cette deuxième piste qui vient de faire coup sur coup l’objet de deux annonces enthousiasmantes.
Déséquilibre inattendu
Mi-mars, l’équipe de l’expérience LHCb, l’un des quatre détecteurs principaux installés sur le LHC, a mis au jour un déséquilibre inattendu entre deux voies de désintégration d’une particule appelée « méson beau ». Celui-ci peut, dans de très rares cas (une fois sur 10 millions environ), donner un kaon et deux électrons ou un kaon et une paire de muons. Or le modèle standard prévoit que ces deux voies atypiques de désintégration ont (après correction liée aux différences de masse entre muons et électrons) autant de chance de se produire l’une que l’autre en vertu du principe de l’« universalité de la saveur leptonique ». Électrons et muons constituent en effet deux « saveurs » d’un même lepton, ce qui en fait des quasi-jumeaux : si le muon est 200 fois plus massif que l’électron, il se comporte pour le reste exactement comme un électron.
« Ce que nous avons montré, c’est que la voie “électrons” semblait privilégiée par rapport à l’autre », explique Marie-Hélène Schune, directrice de recherche au CNRS au laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (IJCLab), à Orsay. « Pour le moment, il y a environ 1 chance sur 1 000 que notre observation ne soit que le fruit d’une fluctuation statistique. Nous sommes à la fois prudents et excités. » Ce résultat expérimental va par ailleurs dans le même sens que d’autres observations faites dans le même détecteur, qui semblent elles aussi pointer vers le même type de « déséquilibres » pour d’autres particules, en violation de ce même principe d’universalité.
La deuxième annonce est un tout petit peu plus récente. En fin de semaine dernière, les chercheurs de l’expérience « Muon g-2 » (prononcer « g moins deux »), installée au Fermilab, à Chicago (l’un des plus grands et plus réputés laboratoires de physique des hautes énergies avec le Cern), ont confirmé une « anomalie du moment magnétique du muon ».
Cette annonce fait suite à des travaux publiés en 2004. Les chercheurs du laboratoire de Brookhaven, à New York, annonçaient alors avoir mesuré une valeur du moment magnétique du muon (pour faire simple, une propriété qui caractérise la manière dont il va se comporter dans un champ magnétique) différente des prédictions théoriques. En 2013, l’aimant de 700 tonnes qui constitue le cœur de l’expérience est déplacé au Fermilab pour bénéficier des accélérateurs plus performants qui y sont installés. Les détecteurs sont améliorés et l’expérience reprend avec sa nouvelle architecture en 2017. Et confirme donc le résultat. Selon l’évaluation des chercheurs, il y a cette fois-ci une chance sur 40 000 pour que la différence entre la mesure expérimentale et la valeur théorique soit due au hasard. Le résultat sera encore affiné d’un facteur quatre dans les années qui viennent.
D’où pourrait alors venir cette différence ? « Le muon est affecté par l’apparition spontanée dans le vide de paires de particules virtuelles qui vont agir sur lui de façon complexe », explique Laurent Lellouch, chercheur au Centre de physique théorique (CNRS/Aix-Marseille Université/Université de Toulon). « Il est possible que certaines de ces particules virtuelles n’aient jamais été observées auparavant ou, même, ne soient associées à une nouvelle interaction. » Cela voudrait dire qu’il existe dans la nature des particules ou une cinquième force qui auraient jusque-là échappé à notre vigilance. Vertigineux.
Nouvelle valeur théorique
D’autres explications, plus techniques, sont aussi envisageables. La valeur théorique du moment magnétique du muon n’a pas été facile à établir. Une partie des équations à résoudre étaient en effet… incalculables. Les physiciens ont donc utilisé des résultats expérimentaux pour « boucher » les trous d’une certaine façon, une approche utilisée depuis plus de vingt ans par l’équipe de Michel Davier, professeur émérite à Paris-Saclay, académicien, et grand spécialiste de la question. « C’est cette approche qui a été prise comme référence pour être comparée à la mesure expérimentale », précise-t-il au Figaro. Une autre méthode, plus récente, consiste à utiliser des outils mathématiques très sophistiqués pour rendre ces équations « calculables ». « Nous devons par exemple calculer des intégrales dans des espaces à plus d’un milliard de dimensions », rapporte Laurent Lellouch, membre de la collaboration BMW (Budapest-Marseille-Wuppertal) qui vient de publier dans Nature une nouvelle valeur théorique du moment magnétique, plus proche de celle qui vient justement d’être annoncée.
« C’est une nouvelle approche très intéressante qui a nécessité un travail assez stupéfiant mais qui demande à être confirmé par d’autres groupes , estime Michel Davier. Nous travaillons avec l’équipe de Laurent Lellouch pour essayer de comprendre l’origine du désaccord. » Quelle que soit l’issue de ces échanges, un constat subsiste : il y a quelque chose dans tous ces phénomènes complexes que l’on ne comprend pas parfaitement. Et c’est bien cela qui est passionnant !
Peut-on maintenant faire un lien entre ces désintégrations déséquilibrées de LHCb au Cern et cette anomalie de moment magnétique mesurée aux États-Unis ? « Le seul point qui saute aux yeux, évidemment, c’est qu’il y a des muons dans les deux cas, constate Marie-Hélène Schune. Mais il n’y a pas pour autant de lien expérimental clair entre les deux, ni de modèle qui expliquerait naturellement d’un coup toutes ces différences. »
Même sentiment pour Michel Davier et Laurent Lellouch, qui rappellent que ces deux « tensions » dans le modèle restent avant tout à confirmer. Avec le mystère de la masse non nulle des neutrinos, ces déviations expérimentales subtiles restent à ce jour les meilleures pistes pour secouer la cathédrale théorique du modèle standard.
Par Tristan Vey
Le Figaro du 12 avril 2021
A-t-on vraiment découvert la 5e force de l’Univers ?
https://www.sciencesetavenir.fr/fon…
Le 27.11.2019 à 15h42
Par Lise Loumé
L’information a été relayée par de nombreux médias : une équipe de recherche hongroise a annoncé avoir réalisé une expérience prouvant l’existence d’une cinquième force dans l’Univers. Faut-il y croire ? Décryptage.
Une portion de l’Univers (ici l’amas d’Abell S0740)
NASA/ESA SPACE TELESCOPE
Les théories et découvertes de milliers de physiciens au cours du siècle dernier ont permis une compréhension remarquable de la structure fondamentale de la matière. Ainsi, l’Univers est fait de douze constituants de base appelés particules fondamentales et gouverné par quatre forces fondamentales, selon le Modèle standard de la physique. Ces quatre forces fondamentales sont : la gravité, l’électromagnétisme, la force nucléaire forte (responsable de la cohésion du noyau et de certaines particules entre elles) et la force nucléaire faible (à l’origine notamment de la fusion nucléaire dans les étoiles). Toutefois, dans un article publié sur la plateforme arXiv, des chercheurs hongrois évoquent l’existence d’une potentielle cinquième force fondamentale : la particule X17. Une révolution dans le monde de la physique, comme le laissent penser de nombreux médias ayant relayé l’information ? Non (malheureusement), car ces travaux sont à prendre avec de multiples précautions. Voici pourquoi.
Deux expériences montrent une "anomalie"
Tout commence en 2016 lorsque cette même équipe hongroise publie dans la revue Physical Review Letters des premiers travaux expliquant une anomalie. Elle observe alors le comportement d’un isotope radioactif, le béryllium-8, au sein d’un accélérateur de particules. Projeté à très grande vitesse, le noyau se rompt en émettant un flash lumineux. Les scientifiques observent qu’à partir d’un certain stade d’énergie émise, le flash lumineux se décompose en un électron et un positon. La manière dont ces particules se repoussent devrait former un angle prédictible selon le principe physique de conservation de l’énergie. Or, ce ne fut pas le cas : l’angle observé était "anormal".
Pour ces scientifiques, le phénomène s’explique par l’existence d’une particule inconnue, nommée "X17" en raison de son potentiel énergétique de 17 mégaélectronvolts, soit 33 fois plus qu’un électron mais n’existant qu’une fraction de seconde. Elle ne peut pas appartenir à l’une des quatre forces déjà connues puisque ses caractéristiques ne collent avec aucune d’entre elles. Et elle ne peut pas non plus être le graviton, cette fameuse particule élémentaire hypothétique qui transmettrait la gravité.
Dans ces nouveaux travaux publiés en novembre 2019 sur la plateforme arXiv - qui, précisons-le, permet aux chercheurs de publier sans validation de leurs travaux par leurs pairs, contrairement aux revues scientifiques traditionnelles comme Science et Nature -, cette même équipe explique avoir renouvelé son expérience sur des atomes d’hélium. Là encore, le noyau a émis un flash lumineux dont l’énergie s’est décomposée en un électron et un positon, et les deux particules se sont repoussées selon un angle jugé "anormal". D’après les calculs des chercheurs, la particule expliquant cette interaction aurait un potentiel énergétique proche de 17 mégaélectronvolts. Là encore, ils évoquent l’existence de cette particule X17 pour expliquer l’anomalie.
Effectivement, comme le reconnaît l’astrophysicien américain Ethan Siegel sur le site de Forbes, l’anomalie observée dans les deux expériences ne semble pas être liée à une simple "fluctuation statistique". Mais de là à en déduire qu’elle est liée à l’existence d’une nouvelle particule, il y a un pas que le spécialiste nous invite tous à ne pas franchir.
Une étude aux multiples faiblesses
Une expérience réalisée à un endroit avec un résultat inattendu ne correspond pas à une nouvelle percée scientifique", explique-t-il.
"Ce pourrait être tout simplement une erreur", ajoute-t-il. Et pour cause, la physique fondamentale est une grande habituée des erreurs, même les plus insolites. Citons par exemple l’expérience Opera qui a conclu dans les années 2000 que les neutrinos muoniques ne respectaient pas la théorie de la relativité en allant plus vite que la lumière, alors que les résultats ont été tout simplement faussés à cause… d’un branchement défectueux d’un câble ! Pour Ethan Siegel, un spectromètre défaillant peut suffire à expliquer l’anomalie repérée par les chercheurs hongrois.
D’ailleurs, l’astrophysicien souligne les multiples faiblesses du protocole des deux expériences réalisées par les chercheurs hongrois : "elles ont été réalisées dans la même installation avec le même équipement et par les mêmes chercheurs, en utilisant les mêmes techniques. En physique, nous avons besoin d’une confirmation indépendante, et cette confirmation en est le contraire", insiste-t-il.
Autre point faible (et un peu technique) de l’étude : la figure 2, qui pose particulièrement problème à l’astrophysicien (voir ci-dessous).
La figure 2 de l’étude illustre la désintégration de l’hélium et la production des paires électron-positron. Les données d’étalonnage (basse énergie) sont affichées en noir (la courbe d’ajustement est en bleu) alors que les données d’intérêt (haute énergie) sont tracées en rouge, avec une courbe d’ajustement en vert et les données d’étalonnage redimensionnées sont en bleu. © A. J. KRASZNAHORKAY ET AL. (2019), arXiv
"Regardez le graphique ci-dessus, où vous pouvez voir les données d’étalonnage (basse énergie) en bleu. Avez-vous remarqué que la courbe noir correspond extrêmement bien aux données (points noirs) ? Sauf entre environ 100° et 125° ? Dans ce cas, ce n’est pas un "bon étalonnage", car il devrait y avoir plus d’événements que ceux observés. Si vous ne considérez que les données comprises entre 100° et 125°, vous n’utiliserez jamais cet étalonnage, c’est inacceptable", dénonce l’astrophysicien. Ensuite, les chercheurs rééchelonnent cet étalonnage pour l’appliquer aux données de haute énergie (la ligne bleue surélevée). Et voilà, c’est un excellent étalonnage jusqu’à environ 100°, point auquel vous commencez à observer un excès de signal. Indépendamment de la qualité ou des défauts d’étalonnage, il n’y a aucune raison physique qui explique pourquoi les deux expériences séparées (hélium et béryllium) produisent des signaux sous des angles différents. Tout cela est approximatif, et c’est l’une des raisons pour lesquelles je souhaiterais une confirmation qui soit vraiment indépendante."
La 4e nouvelle particule que les chercheurs hongrois affirment avoir découvert !
Pour Ethan Siegel, si cette particule X17 existait vraiment, elle aurait déjà dû être observée lors de précédentes expériences sur la recherche de la matière noire. "Les collisionneurs de lepton produisant des collisions électron-positon auraient dû recueillir des preuves de l’existence de cette particule ; or ce n’est pas le cas", déplore-t-il. Ainsi, le scientifique appelle à la prudence. "Jusqu’à ce que nous détections directement une nouvelle particule, restons sceptiques. Jusqu’à ce que ces premiers résultats soient répliqués avec succès par une autre équipe utilisant une configuration complètement indépendante, restons extrêmement sceptique", conseille-t-il.
Déjà en 2016, des physiciens comme Jesse Thaler, travaillant au Massachusetts Institute of Technology (MIT) de Cambridge, s’étaient montrés sceptiques face aux premiers résultats de l’équipe hongroise, comme il l’expliquait dans la revue Nature. L’avis d’Ethan Siegel est partagé par d’autres scientifiques, comme Yves Sirois, physicien canado-français qui a participé à prouver l’existence du boson de Higgs et qui juge les arguments de l’astrophysicien américain "excellents".
D’autant qu’un dernier élément ne joue vraiment pas en faveur des chercheurs hongrois : la particule X17 est au moins la quatrième nouvelle particule qu’ils annoncent, (les trois précédentes remontent à 2001, 2005 et 2008). Leur existence "a à chaque fois été discréditée", précise Ethan Siegel.
Des physiciens apportent des preuves d’une cinquième force fondamentale dans l’Univers
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21 novembre 2019 - Sciences
Marcus Dupont-Besnard 21 novembre 2019 - Science
On connaît quatre forces fondamentales dans l’Univers : la gravité, l’électromagnétisme, la force nucléaire forte, la force nucléaire faible. Des scientifiques apportent de nouvelles preuves en faveur d’une cinquième, la particule X17.
Le « Modèle standard » représente aujourd’hui l’ensemble des découvertes et des théories sur la structure de la matière. Ce modèle postule que l’Univers est constitué de douze particules élémentaires et de quatre forces fondamentales. Dans un article de recherche mis à disposition sur la plateforme arXiv, le 20 novembre 2019, des scientifiques apportent de nouvelles preuves de l’existence possible d’une cinquième force fondamentale.
Tous les phénomènes physiques de l’Univers proviennent de ce que les physiciens appellent des interactions élémentaires. Chacune de ces interactions s’exprime par une force dite fondamentale. Quatre d’entre elles sont prouvées : la gravité, l’électromagnétisme, la force nucléaire forte, la force nucléaire faible. En 2016, un physicien hongrois et son équipe faisaient la Une de la presse scientifique lorsqu’ils apportaient les premières preuves de l’existence d’une cinquième force. Leur nouvelle étude vient apporter, en 2019, des éléments supplémentaires d’observation pour étayer cette hypothèse.
L’existence d’une cinquième force fondamentale pourrait aider à résoudre la problématique de la matière noire, en faisant le lien entre le visible et l’invisible. // Flickr/CC/Chandra X-ray Observatory Center
La particule X17, nouveau boson fondamental ?
Cette cinquième force s’exprimerait par le biais de la « particule X17 ». Cette dernière viendrait expliquer une anomalie, repérée en 2016. Les chercheurs hongrois observent alors le comportement d’un isotope radioactif, le béryllium-8, au sein d’un accélérateur de particules. Projeté à très grande vitesse, le noyau se rompt, en émettant un flash lumineux. Les scientifiques observent qu’à partir d’un certain stade d’énergie émise, le flash lumineux se décompose en une paire de deux particules, un électron et un positon. La façon dont elles se repoussent devrait former un angle prédictible selon les lois de conservation de l’énergie. Or, ce ne fut pas du tout le cas : l’angle observé était bizarre, puisqu’il ne collait pas à notre connaissance du comportement de la matière.
Pour les scientifiques, le phénomène s’explique par l’existence d’une particule inconnue jusqu’ici — et qui n’est pas seulement une particule parmi d’autres, mais bien un boson fondamental. Ils l’ont nommée X17 en raison de potentiel énergétique de 17 mégaélectronvolts, soit 33 fois plus qu’un électron mais n’existant qu’une fraction de seconde. Pour les scientifiques, ce boson impliqué dans l’étrange phénomène ne peut pas appartenir à l’une des quatre forces déjà connues puisque ses caractéristiques ne collent avec aucune d’entre elles. Cela ne peut pas non plus être le graviton, cette particule hypothétique qui serait reliée à la force gravitationnelle.
La même équipe de recherche a récemment renouvelé l’expérimentation, mais non plus sur du béryllium. Cette fois-ci, ils ont stimulé des atomes d’hélium au sein de l’accélérateur de particules. Le phénomène s’est reproduit : le noyau a émis un flash lumineux dont l’énergie s’est décomposée en une paire électron-positon. De nouveau, les deux particules se sont repoussées selon un angle anormal et imprédictible. D’après les calculs mathématiques des scientifiques, le boson expliquant cette interaction aurait un potentiel énergétique proche de 17 mégaélectronvolts. C’est un nouvel élément en faveur de la particule X17.
Dans leur papier, les auteurs de l’expérience rappellent que cette énigme pourrait avoir une relation avec la matière noire. L’existence d’une cinquième force dans l’Univers, capable d’influer sur des particules comme le ferait la X17, pourrait effectivement nous éclairer sur le lien entre la matière visible et la matière invisible. Quoi qu’il en soit, la réponse au problème n’est pas pour tout de suite : avant d’agrandir la famille de forces fondamentales, l’étude doit encore être révisée par les pairs et d’autres expériences doivent être menées,
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