L'énigme du muon

Les expériences « g-2 »

Dans les années 1950, le muon restait une parfaite énigme. Les physiciens ne pouvaient pas encore établir avec certitude s'il s'agissait simplement d’un électron bien plus lourd (d’une masse 200 fois plus élevée) ou s'il appartenait à une autre catégorie de particules. S’inspirant de l'idée d'un physicien américain en visite, Leon Lederman, le CERN lança en 1959 l'expérience « g-2 », dont le but était de mesurer l'une des propriétés de cet étrange électron – son « moment magnétique ». L'expérience consistait à éprouver l'électrodynamique quantique, une théorie élaborée dans les années 1940 pour décrire l'effet de la force électromagnétique sur les particules subatomiques chargées, telles que les électrons et les muons. Cette théorie prédit entre autres une valeur anormalement élevée pour le moment magnétique « g » du muon, légèrement supérieur à 2, d'où le nom de l'expérience.

Six physiciens conjuguèrent leurs efforts en 1959 pour tenter de mesurer cette valeur sur le premier accélérateur du CERN, le Synchrocyclotron. Deux ans plus tard, l'équipe publiait la première mesure directe, avec une précision de 2% par rapport à la valeur théorique. En 1962, la précision s’était ramenée à seulement 0,4%. Ce fut un beau succès, qui validait ainsi la théorie de l'électrodynamique quantique. Comme prévu, le muon s’avérait être un électron lourd.

Les membres de l'équipe suivirent chacun leur chemin, mais l'un d'entre eux proposa un projet pour poursuivre sur cette voie à l'accélérateur vedette du CERN qui avait récemment été mis en service, le Synchrotron à protons. Un nouveau groupe se mit en place et la seconde expérience, qui démarra en 1966, alla encore plus loin en obtenant un résultat 25 fois plus précis que les valeurs précédentes. La sensibilité accrue révéla une différence quantitative entre les valeurs expérimentales et la théorie, ce qui amena rapidement les théoriciens à recalculer leurs modèles.

Une troisième expérience fut lancée en 1969. Les résultats finaux furent publiés en 1979 et confirmèrent la théorie avec une précision de 0,0007%. A compter de 1984, les Etats-Unis reprirent le flambeau de l’étude du moment magnétique anormal du muon, mettant ainsi la dernière touche à l'édifice érigé au CERN.