Physique des particules : les muons nous mèneront-ils vers une nouvelle physique ?

Depuis plus de 10 ans, la mesure des propriétés magnétiques du muon (une sorte de cousin éphémère de l’électron) est en désaccord avec les prédictions théoriques, suggérant une possible lacune du modèle standard de la physique des particules2 et laissant entrevoir une physique plus exotique. Ce 7 avril 2021 sera dévoilé le premier résultat de l’expérience « Muon g-2 » de Fermilab, qui mesure l’une de ces propriétés du muon appelée « moment magnétique ».

Si la France ne participe pas directement à cette expérience, une équipe du CNRS3 a joué un rôle déterminant dans le calcul de la prédiction théorique choisie comme référence4 et sans laquelle aucune conclusion n’est possible. Pour déterminer la contribution, dite de polarisation hadronique du vide, qui limite actuellement la précision du calcul, cette équipe utilise des mesures effectuées auprès de collisionneurs électron-positon. Cette approche exacte, dépendant seulement de la précision des mesures, a été développée et améliorée par cette équipe depuis plus de 20 ans, conduisant au désaccord avec la mesure expérimentale du moment magnétique du muon.

Une méthode différente a été récemment suivie par une autre équipe comprenant des chercheurs du CNRS5 , qui révèle dans Nature le résultat de son calcul de cette contribution. Or, il réduit l’écart avec la valeur expérimentale connue jusqu’ici. Le modèle standard n’a donc peut-être pas dit son dernier mot ! Pour parvenir à ce résultat, les scientifiques ont calculé cette contribution ab initio, c’est-à-dire en ne faisant appel qu’aux équations du modèle standard, sans paramètre supplémentaire. Avec environ un milliard de variables, plusieurs supercalculateurs européens massivement parallèles6 ont été nécessaires pour relever cet énorme défi. Pour la première fois, un tel calcul rivalise en précision avec l'approche de référence qui donne des valeurs du moment magnétique du muon plus éloignées de la valeur mesurée.

Pour trancher définitivement, il faudra attendre que le résultat de ce calcul théorique soit confirmé par d’autres équipes et comprendre d’où viennent les différences entre les deux approches théoriques. C’est ensemble que les équipes du CNRS relèvent actuellement ce défi. Leur espoir, en combinant les approches, est d’obtenir une nouvelle prédiction théorique de référence suffisamment précise pour décider du sort du modèle standard dans quelques années, lors de la publication des résultats définitifs de l’expérience « Muon g-2 » du Fermilab et d’une expérience ayant des objectifs similaires, menée au Japon.

• 2Le modèle standard de la physique des particules est la théorie qui décrit les particules élémentaires et leurs interactions.
• 3Le groupe DHMZ, composé de Michel Davier (IJCLab CNRS/Université Paris-Saclay), Andreas Hoecker (CERN, Genève), Bogdan Malaescu (LPNHE, CNRS/Sorbonne Université) et Zhiqing Zhang (IJCLab), a publié 10 articles de référence sur le sujet, cités plus de 3000 fois.
• 4La valeur théorique de référence utilisée par l’expérience « Muon g-2 » a été obtenue en confrontant les résultats des différents groupes travaillant sur ce sujet dans le monde et publiée dans Physics Reports en 2020. Elle est très proche de la dernière valeur publiée par le groupe DHMZ en 2019.
• 5Outre l’équipe de Laurent Lellouch au Centre de physique théorique (CNRS/Aix-Marseille Université/Université de Toulon) en France, la collaboration « Budapest-Marseille-Wuppertal » implique l’Université Eötvös Loránd (Hongrie), l’Université de Wuppertal et le Forschungszentrum Jülich (Allemagne), ainsi que la Pennsylvania State University (États-Unis).
• 6Ceux du Forschungszentrum Jülich, du Leibniz Supercomputing Centre München, du High Performance Computing Center Stuttgart en Allemagne ; Turing et Jean Zay à l'Institut du développement et des ressources en informatique scientifique (Idris) du CNRS et Joliot-Curie au Très grand centre de calcul (TGCC) du CEA en France, via le Grand équipement national de calcul intensif (Genci).

Légende : Comme une toupie, le muon (µ) tourne sur lui-même, devenant un minuscule aimant entouré d'un champ magnétique. Le muon suit une trajectoire le long de laquelle il interagit avec l'aimant de l'expérience « Muon g-2 » et avec des particules virtuelles du vide quantique. Il polarise ainsi le vide hadronique, ce qui modifie son moment magnétique. Le fond de 0 et de 1, et le pavage carré, évoquent le calcul sur supercalculateurs qui est l'une des approches décrites ici.