moment magnétique du muon

Dans l'anneau de 21 kilomètres de Protvino, près de Moscou, on projetait autrefois d'accélérer des protons. Aujourd'hui, le même tube pourrait accueillir une machine bien différente : un collisionneur de muons. Le muon est un cousin lourd de l'électron, et c'est là sa force.

Une sphère de plomb est suspendue au-dessus d'une autre sphère de plomb. Selon les lois ordinaires de la gravitation, elles s'attirent exactement à la verticale — le long de la ligne joignant leurs centres.

Dans un immense anneau d'aimants près de Chicago, les muons tournaient comme des patineurs sur une patinoire. Mais au lieu de la musique, un champ magnétique, et au lieu de la rotation, un léger balancement du spin. Ce balancement, les physiciens l'appellent le moment magnétique anormal.

Le noyau atomique est rarement une sphère parfaite. Il ressemble plus souvent à un ballon légèrement déformé : la charge électrique y est répartie de manière inégale, et les protons peuvent se déplacer légèrement, créant un minuscule renflement « en forme de poire ».

Au plus profond de la Terre, dans l'épaisseur du granit, des détecteurs capturent de rares visiteurs venus du cosmos — des muons. Ces particules naissent en haute atmosphère lorsque les rayons cosmiques percutent les noyaux des atomes de l'air.

Chaque seconde, environ une centaine de particules invisibles traversent notre corps : les muons. Ils naissent haut dans le ciel, lorsque les rayons cosmiques percutent les atomes de l'air, et pleuvent sur la Terre.

L'électron et le muon sont de minuscules aimants. Leur magnétisme est légèrement supérieur à deux (dans des unités spéciales), et cette « fraction excédentaire » (le moment magnétique anomal) naît de l'agitation constante du vide : des paires de particules apparaissent et disparaissent brièvement.

Le boson de Higgs est comme un chef d'orchestre qui donne leur masse à toutes les autres particules. Sans lui, les électrons seraient sans masse et les atomes se désintégreraient. Mais comment le chef d'orchestre interagit-il avec lui-même ? C'est la question centrale à laquelle le futur collisionneur de muons devra répondre.

Pour connaître la taille réelle du proton, les physiciens ont remplacé l'électron de l'atome d'hydrogène par sa copie lourde, le muon. Tel une loupe à fort grossissement, le muon s'approche au plus près du noyau et « tâte » le proton avec une précision inégalée.

Des protons accélérés à des énergies énormes percutent une épaisse plaque de métal — comme des balles contre une armure. À l'intérieur du métal naît brièvement une particule J/ψ, qui se désintègre aussitôt en deux muons — de légers cousins de l'électron. Ces muons s'échappent de la cible et les détecteurs capturent leurs traces.

Lorsqu'une étoile massive meurt et s'effondre en supernova, naît une étoile à neutrons — une sphère de la taille d'une ville, mais avec la masse du Soleil. Sa matière est si comprimée qu'une cuillère à café pèse plus que le mont Everest.

Dans un anneau souterrain de 27 kilomètres de circonférence, des protons sont accélérés jusqu'à une vitesse proche de celle de la lumière puis projetés frontalement les uns contre les autres. Au point d'impact, des conditions comparables à celles qui régnaient dans le premier billionième de seconde après la naissance de l'Univers sont créées pendant un instant.

Au plus profond de la terre, dans une ancienne mine d'or en Australie, se trouve un laboratoire où le silence n'est troublé que par de rares éclairs de lumière. Ces éclairs sont les traces de particules cosmiques qui traversent des centaines de mètres de roche. Huit panneaux en plastique, semblables à de grandes feuilles lumineuses, capturent ces particules.

Un morceau de combustible nucléaire à l'intérieur d'un réacteur n'est pas qu'un simple solide. Lorsqu'on le chauffe, les atomes d'uranium commencent à « remuer » leurs moments magnétiques, et ce mouvement modifie la conductivité thermique et d'autres propriétés.

Un aimant de frigo tient parce qu'à l'intérieur, les minuscules flèches atomiques sont alignées dans une même direction. Mais la mécanique quantique fait trembler ces flèches, et l'aimantation totale devient inférieure à la valeur idéale.

Lors des collisions de noyaux lourds, une boule de feu de milliers de particules est créée. Parmi elles, on trouve des pions et des kaons, deux types de particules légères qui se ressemblent beaucoup. Pour comprendre ce qui se passe dans cette boule de feu, les physiciens doivent savoir exactement combien de particules de chaque type ont été émises.

Le noyau de deutérium est comme une toupie. Si les charges à l'intérieur sont réparties de manière inégale, la toupie s'incline dans un champ électrique. Cette infime asymétrie est appelée moment dipolaire électrique.

Le proton n'est pas une boule uniforme. À l'intérieur, un mélange bouillonnant de quarks et de gluons. Les gluons sont les particules qui collent les quarks entre eux, comme la colle assemble des planches de bois. La question est : quelle part du « poids » du proton revient à cette colle ?

Chaque seconde, des particules invisibles venues de l'espace — les rayons cosmiques — percutent l'atmosphère terrestre. En entrant en collision avec les molécules d'air, elles génèrent des cascades de particules secondaires, parmi lesquelles les muons sont particulièrement nombreux.

Le muon est un lourd cousin de l'électron qui ne vit que deux millionièmes de seconde. Dans un champ magnétique, il tourne comme une toupie, mais un peu plus vite que ne le prédisent les formules.

Dans le vide, tous les objets tombent avec la même accélération – c'est le fondement de la gravité d'Einstein. Mais jusqu'à présent, cette règle n'a été vérifiée que sur des particules de matière ordinaire.

Le muon est une toupie minuscule qui tourne dans la mer agitée du vide. Son axe magnétique pointe légèrement à côté de ce que prédit le modèle standard. L'écart n'est que de quelques millionièmes, mais pour les physiciens, c'est une véritable énigme. Le vide n'est pas un calme plat.

Deux grandes théories décrivent la réalité : l'une explique comment les corps massifs provoquent la courbure de l'espace-temps, l'autre, le modèle standard, régit les particules élémentaires. Les concilier semble impossible, comme tenter de décrire une tempête océanique avec le langage d'un réseau cristallin.