Pendant plus de vingt ans, le moment magnétique anomal du muon a été la fissure la plus prometteuse du modèle standard de la physique des particules. Chaque mesure de l’oscillation magnétique du muon semblait légèrement supérieure à la prédiction de la théorie, et l’écart s’est maintenu autour de 3,7 écarts-types, tout juste en deçà du seuil de 5 sigma requis pour revendiquer une découverte, mais trop persistant pour être ignoré. Si la divergence était réelle, cela signifiait que des particules inconnues produisaient des fluctuations quantiques dont le modèle standard ne pouvait pas rendre compte. La recherche de ces particules est devenue l’une des priorités les plus hautes de la physique fondamentale.
En avril 2021, une collaboration connue sous le nom de BMW a publié dans Nature un article qui a changé la donne. En recourant à la chromodynamique quantique sur réseau (QCD), une méthode qui simule la force nucléaire forte à partir des premiers principes sur un supercalculateur, le groupe a calculé avec une précision sans précédent la contribution hadronique d’ordre dominant au moment magnétique du muon. Leur résultat était de 707,5 × 10^-10, avec une incertitude totale de 5,5 × 10^-10. Combinée aux autres contributions du modèle standard, cette valeur concordait avec la mesure expérimentale, comblant l’écart qui avait motivé la recherche de nouvelle physique.
Le résultat de BMW a fait autre chose. Il a fait apparaître un désaccord avec la méthode alternative de calcul de la même quantité, une technique connue sous le nom de rapport R, ou méthode dispersive, qui s’appuie sur des décennies de données expérimentales issues des collisionneurs électron-positon. Les déterminations du rapport R, produites par les groupes de Davier, de Keshavarzi, de Colangelo et de Hoferichter, convergent vers des valeurs comprises entre 692 et 694 × 10^-10, avec des incertitudes de 2,4 à 4,0. Le résultat sur réseau de BMW est supérieur de 2,0 à 2,5 sigma à ces valeurs du rapport R.
Cette tension est la véritable histoire. Ce n’est pas un conflit entre théorie et expérience, mais entre deux manières de connaître au sein même de la théorie.
Le calcul de BMW, mené par Szabolcs Borsanyi et Kalman Szabo à l’université de Wuppertal, avec des collaborateurs de l’université Eotvos de Budapest et de l’université Aix-Marseille, représente le point culminant d’une décennie de progrès en QCD sur réseau. La méthode consiste à discrétiser l’espace-temps en une grille quadridimensionnelle de points, à placer les champs de quarks sur les points de la grille et les champs de gluons sur les liens qui les relient, puis à résoudre numériquement les équations de la chromodynamique quantique. Le calcul exige une puissance de calcul considérable : le groupe a accumulé plus de 20 000 configurations sur des réseaux d’une étendue spatiale d’environ 6 femtomètres et a développé des techniques sophistiquées de réduction du bruit, fondées sur les modes propres les plus bas de l’opérateur de Dirac, afin d’atteindre la précision nécessaire.
Le résultat a constitué une percée dans la méthodologie du calcul sur réseau. L’équipe a inclus les effets de l’électrodynamique quantique, a autorisé des masses différentes pour les quarks up et down, a calculé explicitement toutes les contributions de brisure de la symétrie d’isospin plutôt que de les estimer, a mené des études dédiées aux effets de taille finie et a appliqué une procédure d’amélioration du goût (taste) afin de réduire les artefacts de réseau dans l’extrapolation vers le continu. La précision relative totale de 0,8 % représente une avancée substantielle par rapport aux calculs sur réseau antérieurs.
La méthode du rapport R fonctionne différemment. Elle prend la section efficace mesurée expérimentalement de l’annihilation électron-positon en hadrons, l’intègre avec une fonction noyau dérivée de l’électrodynamique quantique et en extrait directement la contribution de la polarisation du vide hadronique. Conceptuellement plus simple, elle a été affinée pendant des décennies, avec de multiples expériences indépendantes, dont BABAR au SLAC, en Californie, KLOE à Frascati, en Italie, et BESIII à Pékin, qui fournissent des recoupements sur les données. Les résultats du rapport R sont fortement corrélés entre eux parce qu’ils puisent dans le même réservoir de mesures expérimentales, mais ces mesures elles-mêmes ont été produites par des détecteurs différents, dans des laboratoires différents, avec des techniques différentes, ce qui rend peu probable un biais systématique.
L’article de BMW reconnaît lui-même la tension avec prudence. Les auteurs notent que l’écart entre leur résultat sur réseau et les valeurs du rapport R est inférieur à ce qui constituerait une mise en évidence d’un phénomène nouveau (3 sigma), et très inférieur à ce qui constituerait une découverte (5 sigma). Mais ils signalent aussi une comparaison spécifique plus troublante : lorsqu’ils restreignent le calcul à un observable de fenêtre connu sous le nom de a_mu_win, qui sonde des échelles de distance plus courtes et dont le calcul fiable est plus aisé sur réseau, la tension atteint 3,7 sigma. Et dans cette fenêtre, des groupes de calcul sur réseau indépendants ont également publié des résultats qui divergent partiellement entre eux, le résultat de BMW différant de 2,2 sigma du calcul sur réseau de Blum et collaborateurs, et de seulement 0,2 sigma de celui d’Aubin et collaborateurs.
La question qui s’ensuit n’est pas de savoir si de nouvelles particules existent. Elle est de savoir si l’on peut se fier au modèle standard en tant que cadre prédictif lorsque ses propres méthodes internes se contredisent. Le calcul sur réseau affirme que l’oscillation du muon est compatible avec la physique connue. La méthode du rapport R affirme le contraire. Les deux ne peuvent pas avoir raison. Le choix entre les deux déterminera si la physique des particules poursuit la recherche de nouvelles particules par la voie du muon ou accepte que l’anomalie n’était qu’un artefact d’un calcul incomplet.
Depuis 2021, des groupes de calcul sur réseau indépendants ont publié leurs propres calculs et la plupart se sont rapprochés du résultat de BMW, avec toutefois des niveaux d’accord variables. L’expérience Muon g-2 du Fermilab a poursuivi la collecte de données, avec pour objectif de réduire l’incertitude expérimentale d’un facteur quatre. Le collisionneur VEPP-2000 de Novossibirsk a publié une nouvelle mesure de la section efficace de production de pions qui déplace la prédiction du rapport R vers le haut, en direction du résultat sur réseau, mais cette mesure est elle-même en désaccord avec des expériences plus anciennes et bien établies, ce qui crée un conflit secondaire au sein de la tradition expérimentale.
Le muon n’a pas révélé de nouvelles particules. Il a révélé quelque chose de peut-être plus dérangeant : les outils que les physiciens utilisent pour comprendre le monde ne s’accordent pas toujours, et résoudre leur désaccord exige non pas de meilleures expériences, mais une meilleure compréhension de ce que chaque méthode sait réellement.
Références
Borsanyi, Sz., Fodor, Z., Guenther, J. N., et al. Leading hadronic contribution to the muon magnetic moment from lattice QCD. Nature 593, 51-55 (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03418-1
Davier, M., Hoecker, A., Malaescu, B., & Zhang, Z. A new evaluation of the hadronic vacuum polarisation contributions to the muon anomalous magnetic moment and to alpha(mZ2). European Physical Journal C 80, 241 (2020). DOI: 10.1140/epjc/s10052-020-7792-2
Keshavarzi, A., Nomura, D., & Teubner, T. g-2 of charged leptons, alpha(MZ2), and the hyperfine splitting of muonium. Physical Review D 101, 014029 (2020). DOI: 10.1103/PhysRevD.101.014029
Muon g-2 Collaboration. Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm. Physical Review Letters 126, 141801 (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.141801
Traduit par Lydie