Les pionniers de l’expérience Muon g-2 remportent le prix spécial Physique fondamentale

UPTON (New York), BATAVIA (Illinois) et GENÈVE – Les collaborations Muon g-2 au CERN – Organisation européenne pour la Recherche nucléaire — et dans deux laboratoires nationaux du département de l’Énergie des États-Unis — le Laboratoire de Brookhaven et le Laboratoire national de l’accélérateur Fermi (Fermilab) — sont les lauréats du prix spécial Physique fondamentale cette année. Pendant plus de 60 ans, des expériences menées dans ces trois instituts de recherche de renom ont cherché à mesurer le plus précisément possible une propriété infime du muon — une minuscule particule subatomique offrant la possibilité aux physiciens de tester la théorie fondamentale des particules et des forces.

La Fondation Breakthrough Prize a attribué le prix en reconnaissance des travaux menés par les lauréats, lesquels ont apporté des « contributions décisives, depuis plusieurs décennies, à la mesure du moment magnétique anomal du muon, repoussant les frontières de la précision expérimentale et ouvrant une nouvelle ère dans la quête d’une physique au-delà du Modèle standard ».

Les lauréats sont les coauteurs encore vivants de publications rapportant les résultats de campagnes de mesures effectuées au CERN, à Brookhaven et au Fermilab. Le prix de 3 millions USD sera partagé entre tous les coauteurs encore en vie des trois instituts. 

Deux binômes de scientifiques représentant les expériences menées à Brookhaven et au Fermilab recevront leur prix au nom du groupe lors d’une cérémonie de gala qui se tiendra au Barker Hangar, à Santa Monica (Californie), le samedi 18 avril 2026. Il s’agit, d’une part, de William M. Morse (Laboratoire de Brookhaven) et de Bradley Lee Roberts (Université de Boston), qui ont apporté des contributions essentielles à l’expérience « Muon g-2 » à Brookhaven, depuis sa construction en 1990 jusqu’à la publication des résultats finaux en 2004 et, d’autre part, de Chris Polly (Fermilab) et de David Hertzog (Université de Washington), qui ont joué un rôle moteur dans une expérience dérivée, l’expérience « Muon g-2 » au Fermilab, de 2013 jusqu’à la publication des résultats finaux en 2025. Le prix récompense également une série antérieure d’expériences « g-2 » menées au CERN de 1959 à 1979.

Appelés parfois les « Oscars® de la science », les prix de la Fondation Breakthrough ont été créés en 2012 par un groupe d’innovateurs de la Silicon Valley afin de récompenser les meilleurs scientifiques du monde en sciences fondamentales, c’est-à-dire dans les disciplines posant les questions les plus essentielles pour apporter les réponses les plus profondes. D’autres prix ont été attribués dans différentes catégories, parmi lesquelles les sciences de la vie et les mathématiques.

Contexte : le mystère du muon 

Le muon, découvert en 1936, demeure une particule énigmatique. Il partage certaines caractéristiques avec l’électron, parmi lesquelles sa charge négative et une forme de magnétisme interne, appelé « g », mais il est 200 fois plus lourd. S’agit-il simplement d’un cousin lourd de l’électron, ou d’un objet vraiment différent ? L’étude de ses propriétés magnétiques pourrait apporter de précieux indices.

Les premiers calculs tendaient à indiquer que la valeur de g devait être égale à deux tant pour les électrons que pour les muons. Cependant, dans les années 1940, des expériences ont révélé que les électrons possédaient un léger excédent de magnétisme. Ce phénomène dit « moment magnétique anomal » est exprimé par le symbole « g-2 » afin de représenter l’écart entre la valeur mesurée (g) et la valeur théorique (2). Au fil du temps, les physiciens ont compris que ce minuscule écart s’explique en fait par les interactions de l’électron avec une « mer » de particules virtuelles qui apparaissent et disparaissent sans cesse.

En mesurant le facteur g des muons, les physiciens cherchent à savoir si ces interactions concernent aussi les muons. Si l’écart observé s’avère plus grand que prévu, cela pourrait indiquer une faille dans la compréhension des particules virtuelles à l’origine de cette perturbation magnétique – et potentiellement l’existence de particules encore inconnues.

Méthode : comparer les mesures aux prédictions 

Les expériences lauréates ont toutes suivi le même principe fondamental : mesurer la valeur du g-2 du muon avec la plus grande précision possible, puis comparer les résultats aux meilleures prédictions alors disponibles. Toutes ont utilisé un dispositif expérimental similaire, consistant à faire circuler un faisceau de muons dans un anneau magnétique et à mesurer, au moyen de détecteurs sensibles, le degré auquel ces minuscules particules en rotation commencent à effectuer un mouvement de « précession », s’éloignant ainsi d’un alignement parfait, lorsqu’elles circulent dans l’anneau. 

Résultats : CERN, Brookhaven 

Trois expériences distinctes menées au CERN entre 1959 et 1979 ont calculé, avec une précision croissante, que le facteur g du muon était légèrement supérieur à deux, exactement comme l’avaient prédit les calculs théoriques. Ces résultats ont confirmé les prédictions et ont permis d’établir de manière ferme que le muon était un cousin lourd de l’électron. 

L’amélioration des techniques d’expérimentation et les nouvelles connaissances relatives aux particules et aux forces ont motivé la réalisation de nouvelles expériences sur le g-2 du muon. C’est là que Bill Morse et Lee Roberts sont entrés en scène. Aux côtés de Vernon Hugues, de l’Université de Yale (décédé en 2003), ils ont construit et dirigé l’expérience « E821 g-2 » au Laboratoire de Brookhaven. 

La publication en 2001 des premiers résultats de l’expérience Muon g-2 de Brookhaven a suscité un véritable engouement à l’échelle mondiale. Ceux-ci révélaient une anomalie étrangement plus grande qu’attendu, mais pas suffisamment marquée pour qu’une découverte puisse être revendiquée. Les résultats publiés en 2002 ont amélioré la précision de la mesure de Brookhaven. Le résultat final, publié en 2004, s’écartait davantage des prédictions, mais ne constituait encore qu’un indice suggérant que les muons pourraient être influencés par un phénomène encore inconnu.

La persistance de ce mystère a poussé les physiciens à améliorer la précision à la fois des prédictions théoriques et des mesures expérimentales.

Fermilab : le voyage des muons vers l’Illinois

En 2013, sous la direction de Morse, Roberts, David Hertzog et Chris Polly — qui travaillaient avec une grande équipe internationale — l’aimant de stockage de l’expérience Muon g-2 du Laboratoire de Brookhaven a embarqué pour un voyage épique sur terre et sur mer, de Long Island, dans l’État de New York, jusqu’au Fermilab, situé près de Chicago, dans l’Illinois. Là-bas, il a été installé afin de reproduire l’expérience au moyen du faisceau de muons d’intensité supérieure du Fermilab et de nouvelles technologies de pointe.

En parallèle, une collaboration internationale de théoriciens a lancé la Muon g‑2 Theory Initiative afin d’améliorer les calculs théoriques. En 2020, cette initiative a publié une prédiction actualisée et plus précise du g-2 du muon, fondée sur une technique utilisant des données provenant d’autres expériences.

En 2021, l’écart entre les mesures expérimentales et la prédiction fondée sur cette technique s’est encore accru lorsque le Fermilab a annoncé le premier résultat de son expérience, confirmant le résultat de Brookhaven avec une précision légèrement améliorée. Au même moment, une nouvelle prédiction théorique a été publiée sur la base d’une nouvelle technique faisant largement appel à la puissance de calcul. La nouvelle valeur prédite était presque en accord avec la mesure expérimentale, réduisant tout d’un coup l’écart observé.

La théorie : un nouvel écart

Récemment, le groupe Theory Initiative a publié une nouvelle prédiction combinant les résultats de plusieurs groupes ayant utilisé la nouvelle technique de calcul. Cette prédiction est en accord avec la mesure expérimentale, ce qui réduit la probabilité que les muons révèlent l’existence d’une « nouvelle physique ». Cependant, les théoriciens continueront de travailler pour comprendre ce nouvel écart – non plus entre les mesures expérimentales et les prédictions, mais entre deux manières différentes de produire les prédictions : l’une fondée sur les données expérimentales, l’autre sur des calculs intensifs.

Existe-t-il encore une chance que le moment magnétique du muon soit un signe annonciateur d’une nouvelle physique ? Le mystère demeure. Quoi qu’il en soit, le prix spécial Physique fondamentale rend hommage à la précision toujours plus grande de ces expériences et à la persévérance des chercheurs dans leur quête de réponses.

Contenu supplémentaire :

• L’expérience Muon g-2 du Laboratoire de Brookhaven
• Vidéo expliquant l’expérience Muon g-2 au moment de l’annonce des premiers résultats du Fermilab
• Morse et Roberts remportent le prix W.K.H. Panofsky pour l’expérience Muon g-2
• Vidéo courte expliquant les concepts scientifiques de l’expérience Muon g-2