MUON ET MODÈLE STANDARD EN PHYSIQUE

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Rapport gyromagnétique de l’électron : confirmation de la théorie

Comme le mouvement de rotation habituel des particules chargées, cette rotation intrinsèque (le spin) induit l’existence d’un moment magnétique intrinsèque, qui est une capacité supplémentaire de la particule à réagir à un champ magnétique. On peut définir alors le rapport gyromagnétique (g) d’une particule élémentaire comme le rapport de son moment magnétique à son spin. Le rapport gyromagnétique d’une particule est une de ces constantes emblématiques qui étayent le modèle standard des interactions fondamentales.

L’équation proposée en 1928 par Paul Dirac (1902-1984) permet de calculer que g = 2 pour une particule de spin h/4π sans interaction. En 1948, Julian Schwinger (1918-1994) démontre que la prise en compte d’effets subtils purement quantiques (qu’on peut se représenter comme l’émission puis la réabsorption d’un photon par l’électron), induit une modification de g égale à αem/2π. Dans cette équation, αem est la constante de couplage de l’électrodynamique quantique, valant approximativement 1/137. Cette quantité est définie comme e2/2c·h·ε où e, c et ε sont respectivement la charge de l’électron, la vitesse de la lumière et la permittivité du vide. La valeur théorique de g devient alors 2,002 32. Ce terme de Schwinger est le premier d’une série de corrections caractéristique de la méthode « perturbative » du calcul théorique d’une quantité. Cette méthode consiste à donner une approximation toujours plus précise d’un résultat, en réalisant ce que les mathématiciens appellent un développement en série de puissances d’un paramètre suffisamment petit. En électrodynamique, ce paramètre est αem. Une correction correspondant à n fois l’émission et la réabsorption d’un photon, contiendra la puissance nième de la constante αem. Les physiciens théoriciens ont calculé ces effets jusqu’à n = 5, obtenant un résultat de g compris entre 2,002 319 304 360 et 2,002 319 304 364 selon la valeur précise (déterminée par d’autres expériences) de αem. Le moment magnétique de l’électron a été mesuré avec une précision toujours croissante. Le résultat le plus récent a été publié en 2008 par trois physiciens de l’université Harvard. En piégeant un électron dans une cavité, ils sont parvenus à une valeur de g égale à 2,002 319 304 361 46 avec une incertitude expérimentale estimée à 0,000 000 000 000 56, confirmant magnifiquement les prédictions théoriques.

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Déplacement de l’anneau de stockage de l’expérience  « Muon g – 2 »

Déplacement de l’anneau de stockage de l’expérience  « Muon g – 2 »
Crédits : Brookhaven National Laboratory/ Alamy/ Hemis

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Comparaison de la valeur théorique et des valeurs expérimentales du rapport gyromagnétique du muon

Comparaison de la valeur théorique et des valeurs expérimentales du rapport gyromagnétique du muon
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Écrit par :

  • : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau

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Bernard PIRE, « MUON ET MODÈLE STANDARD EN PHYSIQUE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 20 mai 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/muon-et-modele-standard-en-physique/