La majorité des phénomènes qui se produisent dans la nature peuvent être expliqués par seulement quatre forces fondamentales. Dans l’ordre croissant de leur intensité, ces forces sont la force gravitationnelle, la force nucléaire faible, la force électromagnétique et la force nucléaire forte. Bien que ces interactions fondamentales expliquent la plupart des événements physiques dans notre univers, il existe certains phénomènes qui ne peuvent être expliqués par ces forces connues, amenant ainsi les physiciens à se demander s’il pourrait y avoir d’autres forces en jeu.
La recherche de la cinquième force fondamentale a été récemment propulsée en grande partie par la masse noire et l’agent responsable de l’expansion accélérée de l’univers, à savoir l’énergie noire. La quintessence, une forme d’énergie noire, a été envisagée comme un candidat à cette cinquième force [1, 2]. Un autre indice en faveur de cette cinquième force, qui a gagné en notoriété dans les années 80, provient d’une réanalyse de l’expérience d’Eötvös [3]. Par conséquent, des chercheurs du monde entier l’ont étudiée comme un modèle plausible [4].
Divers autres modèles théoriques ont émergé, proposant des candidats pour la cinquième force. Ces modèles puisent souvent leur inspiration dans des idées qui vont au-delà du modèle standard de la physique des particules. Certaines théories, comme le modèle de Georgi-Glashow, suggèrent l’existence de particules appelées bosons X qui pourraient médiatiser cette cinquième force. Ces particules hypothétiques pourraient interagir différemment des particules responsables des autres forces fondamentales, ce qui pourrait se traduire par des signatures uniques dans les expériences de collisionneurs de particules et les observations cosmologiques.
Malgré de nombreuses propositions, il existe un manque de preuves concernant la nature de la cinquième force et de ses interactions, bien que la barre ait déjà été placée haut. Des résultats empiriques récents obtenus au Fermilab à Chicago ont de nouveau suscité l’intérêt au sein de la communauté des physiciens, et pourraient conduire à la découverte d’une cinquième force fondamentale. Les scientifiques du Fermilab, dans le cadre d’une expérience appelée muon g-2, ont observé que les muons se comportent d’une manière qui ne peut être expliquée par le modèle standard de la physique des particules [5, 6]. Leur mouvement dynamique a été mesuré comme étant plus rapide que celui prédit par le modèle standard, ce qui a conduit les experts à envisager l’existence d’une nouvelle force qui pourrait en être responsable.
Comparaison des résultats empiriques avec les prévisions du modèle standard. Source : Ryan Postel, collaboration Fermilab/Muon g-2
Les résultats actuels soutiennent essentiellement ceux obtenus en 2021, lorsque des caractéristiques frappantes du moment magnétique des muons ont été révélées, apportant ainsi des preuves concluantes de l’existence de nouvelles particules et/ou forces qui ne sont pas incluses dans le modèle standard. Individuellement, chaque muon se comporte comme une petite barre magnétique lorsqu’il est placé dans un champ magnétique – ce phénomène est appelé moment magnétique. De plus, les muons possèdent une propriété inhérente appelée spin. L’interaction entre le spin et le moment magnétique d’un muon est quantifiée par le facteur g. On s’attend à ce que le facteur g soit égal à deux pour l’électron et le muon. Par conséquent, il est crucial de déterminer si l’écart par rapport à cette valeur, noté g-2, est nul lors des mesures. La raison pour laquelle on soustrait 2 de la valeur initiale du facteur g est de comprendre la contribution de l’écume quantique, un concept selon lequel l’espace est rempli de particules et n’est pas vraiment vide.
En ce qui concerne la partie physique et comment ce résultat ouvre la possibilité d’une nouvelle force, examinons l’étude expérimentale menée au Fermilab. Les muons, qui ont une masse environ 200 fois celle de l’électron, sont soumis à un champ magnétique d’une intensité de 1,45 tesla. En conséquence, les muons oscillent comme des toupies et la fréquence de ces oscillations est proportionnelle à l’intensité du champ magnétique. L’installation expérimentale produit une quantité considérable de muons qui sont stockés dans un aimant circulaire appelé anneau de stockage, ayant un diamètre de 14 mètres. À l’intérieur de cet anneau se trouvent des détecteurs qui comptabilisent les électrons formés lors de la désintégration des muons. Il est intéressant de noter que le nombre d’électrons détectés est directement lié à la fréquence des oscillations des muons : plus il y a d’électrons détectés, plus la précision de la mesure est grande.
Le physicien Paul Dirac avait prédit que le facteur g du muon serait égal à 2. Cependant, en raison de considérations de mécanique quantique, il existe une contribution non négligeable au facteur g due aux particules virtuelles. L’objectif de l’expérience muon g-2 est d’étudier la différence entre le facteur g observé et la valeur théorique prédite, qui est de 2. Si le modèle standard ne contient pas de nouvelles forces ou particules, cela se traduirait par un taux légèrement différent du nombre prévu, mais dans une marge étroite.
Plusieurs autres groupes de recherche se sont également lancés dans cette quête, notamment l’équipe du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. Parmi les membres de cette équipe figure le physicien Mitesh Patel, originaire de l’Imperial College de Londres. Selon lui, les résultats qui contredisent le modèle standard sont cruciaux. Il déclare à ce sujet : « Mesurer un comportement qui ne correspond pas aux prédictions du modèle standard est le Saint Graal de la physique des particules. Ce serait le coup d’envoi d’une révolution dans notre compréhension, car ce modèle a résisté à tous les tests expérimentaux depuis plus de 50 ans. »
L’écart actuel entre les prédictions théoriques et les résultats empiriques pourrait potentiellement indiquer l’existence de nouvelles particules non découvertes dans l’univers, lesquelles pourraient médiatiser une nouvelle force de la nature. La découverte d’une cinquième force serait révolutionnaire à bien des égards, ouvrant une toute nouvelle dimension de la physique à explorer pour les chercheurs, tant sur le plan théorique que pratique.
Faits Marquants :
Le modèle standard de la physique des particules est une théorie qui s’est avérée très efficace et qui a considérablement enrichi notre compréhension du monde physique. Cependant, la recherche a montré que cette théorie est limitée, voire incorrecte. Dans leur quête de ce qui se trouve au-delà du modèle standard, les physiciens ont développé plusieurs nouvelles théories et modèles, tels que le MSSM et le nMSSM, qui reposent essentiellement sur l’idée de supersymétrie. Mais nous savons que même la supersymétrie est une idée qui a échoué jusqu’à présent, car elle n’a produit aucun résultat testé empiriquement. En raison du manque de preuves empiriques concluantes, divers groupes à travers le monde tentent d’élaborer de nouveaux cadres qui pourraient répondre à cette quête.
Le physicien Nassim Haramein a proposé une théorie fondée sur les premiers principes, appelée modèle holographique généralisé, qui s’est avérée plus fructueuse que le modèle standard. Par exemple, ce modèle a fourni une estimation du rayon de charge du proton, en désaccord de 4 % avec la valeur du modèle standard [7]. De plus, il a largement contribué à notre compréhension des particules subatomiques, des trous noirs et de la catastrophe du vide, pour n’en citer que quelques exemples [8, 9, 10].
Les dernières mesures effectuées au Fermilab, qui ont permis d’obtenir la valeur la plus précise du moment magnétique du muon, sont cruciales pour les développements futurs en physique théorique. Ce résultat mettant en lumière les lacunes du modèle actuel, il serait intéressant de voir comment de nouveaux cadres théoriques, comme celui proposé par Haramein, les abordent. Ce nouveau résultat pourrait maintenant être comparé et dérivé des premiers principes. Tout cela devrait être intégré dans son prochain article intitulé « Unification invariante des forces, champs et particules dans un plasma quantique ».
Références :
[1] Wetterich, C. « Quintessence – a fifth force from variation of the fundamental scale ». Heidelberg University.
[2] Cicoli, Michele; Pedro, Francisco G.; Tasinato, Gianmassimo. « Natural quintessence in string theory ». Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2012). DOI: 10.1088/1475-7516/2012/07/044
[3] Fischbach, Ephraim; Sudarsky, Daniel; Szafer, Aaron; Talmadge, Carrick; Aronson, S.H. « Reanalysis of the Eötvös experiment ». Physical Review Letters (1986). DOI: 10.1103/PhysRevLett.56.3
[4] Jha, R., Sinha, K.P. “A possible model for fifth force”. Pramana – J. Phys (1988). DOI: 10.1007/BF02846963
[5] B. Abi et al. (Muon g-2 Collaboration), “Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm”. Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.141801
[6] D P Aguillard et al, “Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.20 ppm” (2023). https://muon-g-2.fnal.gov/result2023.pdf
[7] Haramein, N. Quantum Gravity and the Holographic Mass, Physical Review & Research International, ISSN: 2231-1815, Page 270-292 (2012).
[8] Haramein, N. The Schwarzschild Proton, AIP Conference Proceedings, CP 1303, ISBN 978-0-7354-0858-6, pp. 95-100 (2010).
[9] Val baker, A.K.F, Haramein, N. and Alirol, O. The Electron and the Holographic Mass Solution, Physics Essays, Vol 32, Pages 255-262 (2019).
[10] Haramein, N & Val Baker, A. K. F. Resolving the Vacuum Catastrophe: A Generalized Holographic Approach, Journal of High Energy Physics, Gravitation and Cosmology, Vol.05 No.02, Article ID:91083, 13 pages (2019).
