Zullen muonen leiden tot nieuwe deeltjesfysica?

Simpele vergelijkingen kunnen de wereld soms veranderen. In 1860 testte natuurkundige James Clerk Maxwell dit, produceerde een uniform model van elektromagnetisme en implementeerde enkele basiswetten van de fysica. Het is een veilige gok dat hij destijds verre van vermoedde dat dit jaren later onze samenlevingen radicaal zou veranderen. ” Als Maxwell erop had gestaan ​​de kaars onder de knie te krijgen in plaats van zich te concentreren op de relatie tussen elektriciteit, magnetisme en licht, zouden we geen radio, tv, wifi of mobiele telefoon hebben … Gerustgesteld Laurent Lelouch, directeur van CNRS-onderzoek bij het Centrum voor Theoretische Fysica en het Instituut voor Fysica in het Heelal. Tegenwoordig kunnen recente ontdekkingen tot een soortgelijke verstoring leiden.

Sinds woensdag 7 april hebben studies bevestigd dat het muon, een elementair deeltje, zich niet precies gedraagt ​​zoals voorspeld door het standaardmodel van de deeltjesfysica. Anomalieën zouden het kunnen dwingen te evolueren en ertoe leiden dat een nieuw deeltje licht schijnt, of zelfs een nieuwe kracht die het gedrag op oneindige schaal regelt. Een klinkende ontdekking, met meer enthousiasme ontvangen omdat uit de resultaten bleek dat er maar één kans is op 40.000 dat het toegepaste model deze overtreding verklaart.

Maar in de deeltjesfysica is een kans van 1 op 40.000 nog steeds vrij groot. Dit werk dat wordt gedaan bij Fermilab, een deeltjesversneller in de buurt van Chicago, in de Verenigde Staten, moet met de nodige voorzichtigheid worden bekeken. Uitleg van Laurent Lellouch, covoorzitter van een zojuist gepubliceerd internationaal team, in de recensie natuurNieuw account over muon-anomalieën.

Marianne: Wat is het “standaardmodel” en wat legt het uit?

Laurent Lelouch: Het standaardmodel is in zekere zin de wiskundige samenvatting van bijna een eeuw aan ontdekkingen met betrekking tot elementaire deeltjes, de kleinste ondeelbare eenheden van materie. Dit zijn bijvoorbeeld de componenten en kern van atomen. In de tweede helft van de twintigste eeuw kwamen natuurkundigen, dankzij de vele ontdekkingen met deeltjesversnellers en kosmische straling, uiteindelijk tot een reeks vergelijkingen, waarvan de meest intense vorm enkele regels zou kunnen hebben. Dit is het standaardmodel: het beschrijft alle bekende deeltjes, maar ook hun interacties met elkaar.

Het standaardmodel is een uitzonderlijke theorie: het beschrijft alle basiscomponenten van materie.

Het heeft drie basisinteracties die het gedrag van materie op een oneindige schaal voorspellen. Verminderde reactie, inclusief radioactiviteit. De sterke interactie verklaart onder meer de samenhang van de atoomkern en geeft het grootste deel van zijn massa aan materie. En tot slot de elektromagnetische interactie: het is licht, radiogolven, elektronica … Sinds de toepassing van het standaardmodel zijn er veel experimenten uitgevoerd om de betrouwbaarheid ervan te verzekeren. Tot nu toe zijn bijna al zijn grote voorspellingen geverifieerd. De ontdekking van het Higgs-Prut-Englert-deeltje in 2012 bij CERN’s Large Hadron Collider (LHC), aan de grens met Zwitserland, is een uitzonderlijk voorbeeld. Het primaire doel van deze deeltjesversnellers is specifiek om een ​​revolutie teweeg te brengen in ons begrip van wat extreem klein is, door licht te laten schijnen op nieuwe elementaire deeltjes of nieuwe krachten.

Maar kan het worden ontwikkeld?

Het standaardmodel is een uitzonderlijke theorie: het beschrijft alle basiscomponenten van materie. Maar we zijn er niet in geslaagd enkele basisverschijnselen op te nemen. Het mist bijvoorbeeld de interactie van de zwaartekracht, de vierde fundamentele kracht. We kunnen het niet in het model opnemen. Hetzelfde geldt voor donkere energie en donkere materie. Samen vormen ze 95% van het universum: dit betekent dat het standaardmodel slechts … 5% kan verklaren. Voor de rest weten we niet echt wat het is. Maar 5% is wat ons omringt. Het standaardmodel legt alles uit wat we zien, maar het zegt niet alles wat we willen begrijpen: het is gedoemd tot evolutie, en het valt nog te bezien wanneer en hoe.

Lees ook: De grootste kaart van het universum ooit bevestigde de rol van donkere energie

Dit is wat muononderzoek kan beginnen …

Misschien, maar het is te vroeg om te vertellen. Het standaardmodel is mede gebouwd dankzij de studie van het muon. Het is een elementair deeltje dat op een elektron lijkt en rond de atoomkern draait. In de deeltjesfysica vergelijken we de voorspellingen van het standaardmodel met onze experimenten. Voor muonen is er een verschil van mening tussen theorie en meting in een van de eigenschappen ervan, die magnetisch moment wordt genoemd. We kennen dit verschil sinds we dit magnetische moment ongeveer twintig jaar hebben gemeten in het Brookhaven National Laboratory, in de staat New York. Die tijd was te jong om het standaardmodel uit te dagen, maar te oud om te negeren. Het was dus nodig om dit probleem op te lossen, ofwel door aan te tonen dat het verschil groot genoeg zou zijn nadat de metingen waren herzien, ofwel door juist aan te tonen dat het zou afnemen.

Specifiek, op 7 april bevestigde een nieuw experiment genaamd “Muon g-2” van Fermilab deze bewering op een ingenieuze manier. Voorheen was de kans dat dit een statistisch toeval was 1 op 4.500, en nu is het slechts 1 op 40.000! Voor natuurkundigen is dit natuurlijk niet genoeg: het moet veel minder dan een miljoenste kans zijn voordat het bewijs onweerlegbaar is. Maar dat betekent nog steeds dat er 39.999 kansen op de 40.000 zijn om het standaardmodel te ontwikkelen!

Dit alles is indrukwekkend gezien het feit dat een ander experiment, dit keer op CERN, in maart een ander effect liet zien, waardoor het muon zelf afwijkt van de voorspellingen van het standaardmodel. De statistische significantie van het effect is minder belangrijk dan het magnetische moment van het muon, maar we moeten waakzaam blijven. Alles zal afhangen van de komende maanden en jaren, we gaan een cruciale periode in: ofwel zal de kloof kleiner worden, of, integendeel, het zal worden bevestigd, waarna het nodig zal zijn om nieuwe fysica te creëren.

Wat bedoel je met “nieuwe fysica”?

Het zal nodig zijn om de reden voor dit meningsverschil tussen theorie en ervaring te begrijpen. Is het vanwege een ander deeltje waarmee het muon in wisselwerking staat, of is het te wijten aan een nieuwe interactie? De ontdekking van een nieuw deeltje of kracht is ongelooflijk. Zelfs als het past binnen het algemene kader waarop het Standaardmodel is gebouwd, zullen de gevolgen enorm zijn. We hebben het echter niet over het in twijfel trekken van de grondbeginselen ervan, zoals de speciale relativiteitstheorie of de kwantummechanica. Aan de andere kant heeft iedereen zijn eigen theorie, er zijn eigenlijk meer dan zestig posts sinds de publicatie van 7 april! Dus deze nieuwe fysica moet rekening houden met alle bestaande beperkingen bij het verklaren van het ongewone gedrag dat geassocieerd wordt met muonen.

Wanneer u nieuwe fundamentele wetten in de natuurkunde ontdekt, kan dit leiden tot toepassingen waarvan u niet wist dat ze bestonden.

Als dit niet het geval was met het muon, kunnen we ons dan nog voorstellen dat dit standaardformulier ooit zou breken?

Het verklaart goed bijna alle verschijnselen die worden waargenomen in deeltjesversnellers en kosmische straling. Maar wat de donkere energie betreft, heb ik, zonder wetenschapper in het universum te zijn, het gevoel dat we te ver verwijderd zijn van het verklaren van het bestaan ​​ervan met onze huidige theorieën, waarvoor een complete revolutie in de fysica nodig zou zijn. Of we kunnen ons realiseren dat er iets “eerlijks” is dat we niet volledig begrijpen in de metrieken die het bestaan ​​ervan aantonen of in hun interpretatie: dan komen we bij de implicatie in onze huidige vergelijkingen.

Op dezelfde dag dat Fermilab werd gepubliceerd, 7 april, hebben we de resultaten vrijgegeven van een nieuwe benadering van de voorspellingen van het standaardmodel. Om redenen die we nog niet begrijpen, lijkt onze methode er echter op te wijzen dat ze juist de gemeten waarde van het magnetische moment van het muon voorspelt. Om een ​​definitieve beslissing te nemen, zal het nodig zijn om te wachten tot het resultaat van onze berekeningen wordt bevestigd door de andere teams, en om te begrijpen waar het verschil tussen theoretische benaderingen vandaan komt. Er zal ook een paar jaar moeten worden gewacht voordat de definitieve resultaten van de Fermilab “Muon g-2” -proef en een proef met vergelijkbare doelstellingen, uitgevoerd in Japan, worden gepubliceerd.

De afgelopen twee weken hebben we veel over dit bedrijf gehoord. Waarom zijn ze zo belangrijk?

We weten nog niet of dit werk ons ​​naar nieuwe fysica zal leiden. Maar in het algemeen, wanneer we nieuwe fundamentele wetten in de natuurkunde ontdekken, kan dit leiden tot toepassingen waarvan we niet eens vermoeden dat ze bestaan. Aan het begin van de twintigste eeuw begrepen we hoe atomen licht uitstralen. Honderd jaar later kunnen hierdoor kwantumcomputers worden ontwikkeld die het oplossen van problemen kunnen vergemakkelijken die nog steeds niet kunnen worden opgelost. Hetzelfde geldt voor radioactiviteit of elektromagnetische verschijnselen. Alles lijkt abstract, maar als Maxwell had vastgehouden aan de beheersing van de kaars in plaats van te kijken naar de relatie tussen elektriciteit, magnetisme en licht, zouden we geen radio, televisie of radio hebben. Wifi, geen gsm, …

Lees ook: Technologie: Teken me … een kwantumcomputer