L'énigme de la précession du muon, non résolue depuis 25 ans, franchit une étape clé en physique

Depuis 25 ans, les mesures de précision de la précession du muon dans un champ magnétique constituent une énigme majeure en physique des particules. Les premières expériences ont révélé un écart entre la valeur mesurée du facteur g du muon et les prédictions théoriques, un écart autrefois interprété comme un indice possible de l'existence de particules inconnues. De récents calculs théoriques et analyses expérimentales apportent un nouveau tournant à ce mystère.

Le muon, « cousin » plus massif de l'électron, précesse dans un champ magnétique comme un micro-aimant. Son amplitude de précession supplémentaire est appelée coefficient « g-2 » du muon. Selon la théorie quantique, les particules et interactions connues influencent ce coefficient par le biais de fluctuations quantiques transitoires, faisant du muon g-2 une fenêtre essentielle pour tester le modèle standard et rechercher une éventuelle nouvelle physique.

En 2001, le Laboratoire national de Brookhaven aux États-Unis avait mesuré un facteur g du muon anormalement élevé, suscitant l'attention de la communauté physique. Par la suite, l'anneau magnétique correspondant a été transféré au Fermilab (Laboratoire national d'accélérateur Fermi) aux États-Unis, où l'expérience améliorée a continué d'accroître la précision des mesures. En 2021, les nouveaux résultats publiés par le Fermilab montraient encore un écart significatif avec les prédictions théoriques basées sur la « méthode des données », un écart qui s'approchait alors du seuil strict requis pour confirmer une nouvelle découverte en physique des particules.

La méthode dite des données consiste à utiliser des données expérimentales, telles que la production de jets de quarks lors de collisions électron-positron, pour déduire la contribution de l'interaction forte au muon g-2. En raison de la difficulté à traiter précisément l'interaction forte par des méthodes analytiques conventionnelles, cette approche a longtemps été utilisée pour calculer les prédictions théoriques du muon.

Cependant, une autre approche de calcul basée sur la chromodynamique quantique sur réseau a abouti à des conclusions différentes. Le groupe de recherche BMW, composé de chercheurs de Budapest (Hongrie), Marseille (France) et Wuppertal (Allemagne), a publié ses résultats en 2021 après des années d'amélioration des méthodes de calcul et de la précision des simulations. Ses calculs sur réseau montrent que la précession du muon mesurée au Fermilab peut être expliquée par les particules et interactions connues. Par la suite, d'autres équipes indépendantes de calcul sur réseau ont également obtenu des résultats similaires, conduisant de nombreux physiciens à considérer que l'anomalie du muon g-2 n'est peut-être pas une preuve de nouvelle particule.

Une nouvelle question se pose alors : si les calculs de chromodynamique quantique sur réseau sont corrects, pourquoi les données de collisions électron-positron qui soutenaient auparavant la méthode des données conduisent-elles à des prédictions différentes ?

L'un des points focaux se tourne vers le collisionneur VEPP-2000 à Novossibirsk, dans le sud de la Sibérie en Russie. Cet appareil mesure la fréquence de production de jets de quarks, tels que les mésons π, lors de collisions électron-positron. Ces données constituent une base importante pour déduire l'influence de l'interaction forte sur le muon. En 2023, l'équipe de VEPP-2000 a publié des mesures du taux de production de mésons π réalisées avec un détecteur mis à jour, qui présentent des écarts significatifs avec ses propres données antérieures ainsi qu'avec les résultats de certaines autres expériences de collisionneurs.

Cet écart a suscité un large examen de la part des physiciens. À ce jour, aucun problème clair n'a été identifié dans cette mesure. Parallèlement, les derniers résultats de simulation sur réseau concordent avec les nouveaux taux de mesure de VEPP-2000, et les données préliminaires d'un autre détecteur de VEPP-2000 semblent également soutenir cette direction. Cependant, une analyse de 2023 des données antérieures du collisionneur BABAR en Californie s'accorde davantage avec l'ancien taux de production de mésons π.

Actuellement, la communauté physique n'a pas encore tranché sur ces résultats contradictoires. Ces écarts pourraient provenir de procédures expérimentales, du traitement des données ou d'erreurs systématiques non encore identifiées, ou pourraient également laisser ouverte la discussion sur des indices de nouvelles particules. Tant qu'il n'aura pas été déterminé si l'ancien taux de production de mésons π ou les nouveaux résultats de mesure sont plus fiables, la question du muon g-2 restera un sujet clé dans la recherche en physique des particules et en chromodynamique quantique.