Le moment magnétique anomal du muon comme détecteur potentiel de phénomènes nouveaux
This article is the French adaptation of this Steemit post that I wrote a few months ago.
Le moment anomal du muon (que je définirai plus tard) est une quantité physique à la fois extrêmement bien mesurée, et prédite de façon très précise.
[image credits: Fermilab]
Avant de définir ce qu’est cette bestiole, regardons les prédictions du Modèle Standard: la valeur est
0.00116591828 ± 0.00000000049
Et maintenant, les meilleures mesures (effectuées avec l’aimant transporté sur la figure)
0.00116592089 ± 0.00000000063
Je pense que le mot ‘precision’ prend tout son sens, n’est-ce pas?
Il y a cependant seulement une chance sur 1000 pour que ces deux résultats soient en accord, lorsque l’on prend en compte les incertitudes théoriques et expérimentales. Cela veut donc dire que l’on a 999 chances sur 1000 d’être en présence d’un phénomène nouveau!
Avant de voir tout cela plus en détails, retournons vers quelques définitions.
MUONS
Avant toute chose, qu’est-ce qu’un muon?
[image credits: the particle zoo]
A part une peluche (celle ici à gauche), il s’agit du grand frère de l’électron. Un muon est une copie de l’électron, mais en plus massif, et toutes ses propriétés (mis à part la masse) sont identiques.
Par conséquent, le muon est instable, de sorte qu’après un temps certain, il se désintègre en un électron et deux neutrinos invisibles.
Le muon a été découvert dans les années 1930 grâce au fait que la planète Terre est bombardée de façon régulière par des muons qui viennent de rayons cosmiques. Des milliers d’entre eux atteignent ainsi le sol à chaque minute.
Depuis lors, les physiciens ont pu étudier les muons et leur propriétés, leur moment anomal étant l’une des plus célèbres de ces propriétés.
LES MOMENTS MAGNETIQUES
Avant de parler de moment anomal, parlons de moments magnétiques.
Le moment magnétique d’un objet nous renseigne sur l’intensité et la direction de la force de rotation ressentie par l’objet lorsqu’il est soumis à un champ magnétique externe.
[image credits: Pixabay]
Pour prendre un exemple simple, imaginons une boussole. L’aiguille de la boussole tourne de façon à s’aligner sur le champ magnétique ambiant.
La force de rotation qui va s’appliquer sur l’aiguille est proportionnelle, d’une part, au champ magnétique lui-même (plus intense est le champ, plus grande est la force), et d’autre part, à son moment magnétique (dont la direction est toujours celle de l’aiguille).
Les directions du moment magnétique et du champ jouent de plus toutes les deux un rôle. Lorsque champ et moment sont alignés, la force de rotation disparaît et l’aiguille s’arrête. C’est cette situation qui est en fait recherchée par les lois de l’électromagnétisme.
Le moment magnétique d’un objet est une grandeur qui tente de s’aligner sur le champ magnétique ambiant.
MAIS D’OU VIENNENT LES MOMENTS MAGNETIQUES?
Il y a deux composantes au moment magnétique d’un objet. Une première vient du mouvement des charges électriques qui le composent et une seconde est intrinsèque à la nature de l’objet.
Par exemple, le moment magnétique d’un atome d’hydrogène (un proton avec un électron qui orbite autour) sera égal à la somme des moments intrinsèques de l’électron et du proton, et du moment généré par le mouvement de rotation de l’électron autour du proton.
Le moment intrinsèque d’une particule (noté μ) est la quantité qui va nous intéresser ici. Il est déterminé par le spin (S), la masse (m) et la charge électrique (q) de la particule considérée,
μ = gs q/2m S
Le facteur gs est prédit par la théorie et vaut, dans une bonne approximation, g=2 pour une particule élémentaire.
LE MOMENT MAGNETIQUE ANOMAL DU MUON
Cependant, le monde microscopique est quantique. Le facteur g va donc avoir une valeur légèrement différente de 2, et cette différence est appelée le moment magnétique anomal du muon.
Si l’on effectue le calcul dans le cadre du Modèle Standard de la physique des particules, on obtient
0.00116591828 ± 0.00000000049
[image credits: RCNP]
Il reste à vérifier si expérimentalement, on est compatible avec cette prédiction.
Pour se faire, on balance des protons sur une cible fixe et on récolte les restes (des particules appelées pions) de cette collision.
sAprès un moment, ces pions se désintègrent en muons qui l’on collecte sous la forme d’un faisceau et que l’on étudie ensuite.
[image credits: BNL]
A partir de là, les physiciens appliquent un champ magnétique gigantesque et scruptent le comportement des muons du faisceau. Le spin de ces muons effectue une précession à une vitesse qui peut être extraite précisément.
On peut alors détermine le moment magnétique anomal des muons. La valeur observée (au Brookhaven National Laboratory) est de
0.00116592089 ± 0.00000000063
Il faut noter que toutes les mesures se font par l’étude des produits issus de la désintégration du muon (qui permettent de remonter jusqu’au muon initial) et se basent sur une connaissance extrêmement précesire du champ magnétique appliqué.
CHASSE AUX PHENOMENES NOUVEAUX
En comparant les nombres ci-dessus, on observe une faible différence entre prédictions et données.
Une des options expliquant la déviation est que cette dernière est l’effet de particules nouvelles. Leur impact est non pris en compte dans le cadre d’un calcul effectué dans le Modèle Standard de la physique des particules (qui ne contient que des particules connues).
En inversant l’argument, on peut prendre n’importe quelle théorie allant au-delà du Modèle Standard est y calculer les contributions des nouvelles particules au moment magnétique anomal du muon.
On peut ainsi extraire des contraintes sur les théories de physique nouvelle, et regarder quelles sont les chances qu’une théorie donnée rétablisse l’accord théorie-expérience.
RESUME ET REFERENCES
J’ai détaillé dans cet article ce qu’était le moment magnétique anomal du muon, et d’où venaient les prédictions théoriques et les mesures actuelles associées.
Des nouvelles mesures vont bientôt être disponibles, grâce à l’expérience g-2 à Fermilab qui a juste démarré. En suivant le cheminant décrit dans ce post, les physiciens pourront extraire des contraintes indirectes sur les phénomènes nouveaux.
Tant qu’à faire, une petite récompense à celui qui m’explique pourquoi la future expérience g-2 à Fermilab s’appelle ‘g-2’.
Références:
- Le sujet de ce post a été inspiré par cet article scientifique que j’ai lu il y a un mois ou deux.
- De l’information sur les moments magnétiques peuvent être obtenues dans de nombreuses notes de cours disponibles sur le web, ainsi que sur Wikipedia (qui est raisonnable ici).
- De l’information sur les expériences liées au moment anomal du muon peut être obtenu sur le site du BNL ici et du Fermilab.
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Merci pour cette traduction. J'avais super peur de ne rien comprendre mais ça a été très claire. Et pour ta question, est-ce que l'explication est plus poussé que g = 2 pour les particule élémentaire avec des variantes (je vulgarise moins que toi) où c'est une attrape et il y a une autre signification (ou aucune).
Avec plaisir. Pour le nom 'g-2' donne a l'experience au Fermilab, tu y es presque. Cela trouve ca source dans "g=2", mais il faut aussi revenir a ce qui sera mesure. Je te laisse chercher encore un peu et je te donnerai la solution si tu n'as pas trouve dans un jour ou deux ;)
Dans le fond ce qui sera mesuré c'est la variation de 2 qui peut être expliqué par des particule encore inconnue. C'est ces particules qui sont recherché. Donc ça voudrait plus dire: calcule de la variation de g qui vaut 2 sans l'intervention de particules inconnues.
Je me force vraiment à l'hypothético-déductif pour le plaisir de la chose, et c'est la première fois que j'entends parler du sujet. Merci pour ce petit jeu. (En espérant m'approcher et ne pas dire trop de bêtise)
C'est quasi ca. Le moment anomal du muon est la difference entre g et 2. Il y a une contribution standard mais potentiellement une contribution de nouveaux phenomenes. L'experience s'appelle g-2, car g-2 est ce qui sera mesure :)
Un petit upvote de ton commentaire pour la peine ;)
Je pense que je me suis compliqué la vie alors!
Souvent, la reponse est juste devant nous et on ne la voit pas ;)
I followed the link provided to the English version of the post, and I’m glad I did. Because my knowledge got broadened again. How do you say "Thanks for sharing" in French?
I am glad you liked the English post.
In French, we can say: 'Merci pour cet article' (which means 'thanks for this post') or 'merci d'avoir partagé cela' ('thanks for sharing this', literally) :)
Ok. Merci pour cet article.
Wow, that was a quick tutorial on linguistics :)
Merci pour l'article c'est très intéressant !
Avec plaisir!
Le moment scientifique de Steemit, toujours aussi précis et détaillé ! Upvoté à 100% !
Oooh le joli jeu de mots :p
Someone is OTW to grab me mon frere, in about 3 mins but wanted to say hi.
Please say it in French :p
Mon frere!
hahah, I was referring to the entire sentence ;)
Great article, really the physics is a very interesting career I would like to learn day by day much more about it. @lemouth
Quelle bonheur de découvrir tout ça !! Mais une expérience qui tente de découvrir des particules inconnues de cette manière, ça me rappel quelque chose ça non ? La dernière fois que c'est arrivé on aurai pas découvert les neutrinos par hasard ? A surveiller de près en tout cas c'est vraiment passionnant ... J'espère que tu nous rédigera un petit article en FR quand l'expérience sera terminée
Le but de cette experience n'est pas de decouvrir de nouvelles particules, mais de conclure a une deviation avec encore plus de certitude. Pour le moment, la probabilite que mesure et predictions soient en accord est toujours trop grande pour conclure a une decouverte.
Quand l'experience g-2 sera terminee, je ferai un article si je n'ai pas oublie d'ici la :p