Modèle standard de la physique des particules : les muons de la discorde

Depuis plus de 10 ans, les muons « font tourner la tête des physiciens », car une mesure expérimentale ne correspond pas à la théorie du Modèle standard de la physique. D’où vient le problème ? Impossible à dire pour le moment, mais des calculs réalisés sur plusieurs supercalculateurs européens ouvrent de nouvelles perspectives. 

Nous avons déjà eu l’occasion de l’expliquer : toute la matière de l’Univers est composée de six particules élémentaires regroupées dans deux grandes familles : les leptons et les quarks (par paquet de six à chaque fois). Dans la première catégorie, on retrouve une particule assez largement connue : l’électron.

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À l’intérieur de chaque famille, les particules sont regroupées par deux selon leur « génération ». Dans le cas des leptons, le neutrino et l’électron constituent la première. Ce sont les particules les plus légères et les plus stables. 

Avec la seconde génération, la masse augmente mais la stabilité est en baisse ; il s’agit respectivement des neutrino muonique et muon. Le phénomène s’accentue avec la troisième génération correspondant aux neutrino tauique et tau. On compare souvent les muons et taus à des « cousins » de l’électron.

Dans la pratique, seules les particules élémentaires de première génération sont couramment observées ; il faut généralement plonger au cœur des accélérateurs de particules pour observer et étudier les autres.

L’Univers est pour rappel régi par quatre interactions fondamentales : la force forte, la force faible, la force électromagnétique et la force gravitationnelle (détaillés par ici). Le Modèle standard de la physique des particules décrit comment tout ce petit monde fonctionne ensemble… ou presque. En effet, la force gravitationnelle n’est pas prise en compte, elle est actuellement décrite par la théorie de la relativité générale (mais c’est une autre histoire).

Le Modèle standard résumé en 30 secondes 

« Élaboré au début des années 1970, [le Modèle standard] a permis d’expliquer les résultats d’un grand nombre d’expériences et à prédire avec exactitude une grande variété de phénomènes », explique le CERN. « Avec le temps, et bien des expériences plus tard, il s’est imposé comme une théorie ayant de solides fondements expérimentaux ».

Nathalie Besson, physicienne des particules au CEA, expliquait il y a quelques mois l’histoire de ce fameux Modèle :

« La physique des particules c’est-à-dire l’étude de l’univers au niveau de ses constituants élémentaires repose aujourd’hui sur un modèle qu’on appelle Modèle standard de la physique des particules. Ce modèle décrit en une seule et je trouve très élégante équation le contenu en particules élémentaires de l'univers, mais pas que le contenu, aussi leurs interactions ».

Comme tous les modèles, il évolue au fil du temps et des découvertes : « Au début des années 60, c'était un modèle très satisfaisant, car on le disait prodigieusement prédictif : ça veut dire que toutes les valeurs qu'on calcule grâce au modèle collent aux valeurs qu'on mesure dans les expériences ». Les choses ont depuis changé.

Nathalie Besson explique en effet qu’un problème est venu gripper cette belle mécanique : « pour respecter certaines propriétés fondamentales de l'univers, l‘équation imposait que les particules soient toutes de masse exactement nulle. Or, expérimentalement, ça s'est contredit, en particulier par les particules qu'on appelle les bosons W et Z qui s'avèrent extrêmement massifs ». 

Trois théoriciens – Englert, Higgs et Brout – ont alors retravaillé le Modèle standard pour y ajouter le fameux boson de Higgs. « Évidemment, pour valider la théorie nouvelle version avec le boson de Higgs dedans, il fallait l’observer. Et c'est pour cela, entre autres, qu'on a imaginé, construit et fait fonctionner le LHC et les détecteurs Atlas et CMS. Depuis 2012, on observe la création de bosons de Higgs au cœur des détecteurs régulièrement ».

Cet exemple montre qu’en partant d’une différence entre la théorie et la pratique on arrive à des conséquences importantes, nécessitant rien de moins que revoir le Modèle standard. Avec les propriétés magnétiques des muons qui « font tourner la tête des physiciens », l’enjeu est du même ordre de grandeur.

Les propriétés magnétiques du muon jouent les trouble-fête

En effet, « 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 particules et laissant entrevoir une physique plus exotique », explique le CNRS.

Depuis maintenant plus de 20 ans, des chercheurs calculent cette propriété – appelée moment magnétique – avec une « approche exacte, dépendant seulement de la précision des mesures ». C’est la partie théorique. Problème, le résultat est en désaccord avec la mesure expérimentale effectuée sur des muons.

Or, en physique, la théorie doit coller à la pratique, pas le contraire.

Deux calculs théoriques et… deux résultats différents

Des chercheurs comprenant des membres du CNRS ont utilisé une méthode théorique différente et, « pour la première fois, un tel calcul rivalise en précision avec l'approche de référence ».

Mais n’allez pas croire que c’est simple comme lancer la calculatrice sur Windows : il y a environ « un milliard de variables » à prendre en considération et « plusieurs supercalculateurs européens massivement parallèles ont été nécessaires pour relever cet énorme défi ». Au bout du compte, ce qui intrigue les chercheurs, c’est que cette nouvelle méthode théorique donne des résultats différents de l’autre méthode théorique.

Par contre, elle réduit « l’écart avec la valeur expérimentale connue jusqu’ici ». Le Centre national de la recherche scientifique s’empresse d’ajouter que « le débat n’est pas clos pour autant ».

Dans la balance, rien de moins que le « sort modèle standard »

Il est en effet trop tôt pour en tirer des conclusions : « 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 ». Les scientifiques doivent maintenant non seulement comprendre et expliquer la différence entre les deux valeurs « théoriques » mais aussi l’écart avec la valeur pratique.

Les enjeux sont importants pour les chercheurs : « 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 ». De quel côté penchera la balance ? C’est LA question du jour qui n’a toujours pas de réponse.