MUON ET MODÈLE STANDARD EN PHYSIQUE

Le rapport gyromagnétique du muon

Le modèle standard des interactions fondamentales considère que le muon (μ) est un cousin de l’électron aux propriétés quasi identiques, mais avec une masse environ 200 fois plus élevée. Cette relative grande masse l’empêche d’être stable car il se désintègre en un électron (accompagné d’un neutrino et d’un antineutrino) avec une demi-vie de l’ordre de 2 microsecondes. Cette différence de masse rend aussi la valeur de son rapport gyromagnétique beaucoup plus sensible à d’autres contributions que celles décrites auparavant pour l’électron, à savoir la possible matérialisation d’un photon en une paire très éphémère quark-antiquark. Comme les quarks sont soumis à l’interaction nucléaire forte, ils échangent sans cesse des gluons dont les propriétés spécifiques définissent la chromodynamique quantique (QCD pour Quantum ChromoDynamics), théorie moderne des interactions nucléaires.

Après des efforts considérables, les théoriciens ont calculé le rapport gyromagnétique du muon dans le cadre du modèle standard des interactions fondamentales, comme égal à 2,002 331 836 20. Ces calculs contiennent, outre les effets dominants des échanges de photons, les contributions dues à la force électrofaible (environ 0,000 000 003 07) et une estimation des effets de la QCD environ 40 fois plus élevée, mais beaucoup plus incertaine.

La valeur du rapport gyromagnétique du muon se révèle aussi beaucoup plus sensible à la matérialisation éphémère du photon émis par le muon en une paire de particules hypothétiques de masses élevées, car cet effet est proportionnel au carré de la masse du muon et donc environ 40 000 fois plus grand pour le muon que pour l’électron. Ces particules seraient la signature de phénomènes nouveaux prédits dans un certain nombre de modèles théoriques. La mesure de précision du rapport gyromagnétique du muon devient alors un moyen de recherche de ces nouveaux phénomènes, compétitif par rapport à des expériences nécessitant des accélérateurs actuellement impossibles à construire.

Mesurer le moment magnétique du muon est donc important mais il est notablement plus délicat que de le faire pour un électron qu’on peut isoler et soumettre à un champ magnétique pendant la longue période nécessaire à la mesure. Les physiciens doivent tirer profit de la « dilatation du temps » que subissent les particules de très grande vitesse selon la théorie de la relativité. Des muons très rapides ne se désintègrent pas aussi rapidement (dans le référentiel du physicien immobile) que des muons lents, et peuvent donc survivre à de nombreuses révolutions dans l’anneau d’un accélérateur. Pour relever le défi d’une détermination avec une haute précision, on a dû de plus inventer des solutions originales d’une part pour appliquer un champ magnétique extrêmement stable et d’autre part pour mesurer la réponse du muon à ce champ magnétique.