En physique classique, un vide est un vide total – une véritable manifestation du néant. Mais la physique quantique dit que l’espace vide n’est pas vraiment vide. Au lieu de cela, il bourdonne de particules “virtuelles” qui apparaissent et disparaissent trop rapidement pour être détectées. Les scientifiques savent que ces particules virtuelles sont là parce qu’elles modifient de manière mesurable les qualités des particules régulières.
Une propriété clé que ces particules effervescentes changent est le minuscule champ magnétique généré par un seul électron, connu sous le nom de moment magnétique. En théorie, si les scientifiques pouvaient tenir compte de tous les types de particules virtuelles qui existent, ils pourraient faire des calculs et déterminer exactement à quel point le moment magnétique de l’électron devrait être faussé en nageant dans ce pool de particules virtuelles. Avec des instruments suffisamment précis, ils pouvaient vérifier leur travail par rapport à la réalité. Déterminer cette valeur aussi précisément que possible aiderait les physiciens à déterminer exactement quelles particules virtuelles jouent avec le moment magnétique de l’électron, dont certaines pourraient appartenir à un secteur voilé de notre univers, où, par exemple, réside la matière noire toujours insaisissable.
En février, quatre chercheurs de la Northwestern University ont annoncé qu’ils avaient fait exactement cela. Leurs résultats, publiés dans Physical Review Letters, rapportent le moment magnétique électronique avec une précision stupéfiante : 14 chiffres après la virgule, et plus de deux fois plus précis que la mesure précédente en 2008.
Cela peut sembler exagéré. Mais il y a bien plus que la précision mathématique en jeu. En mesurant le moment magnétique, les scientifiques testent la cheville ouvrière théorique de la physique des particules : le modèle standard. Comme une version physique du tableau périodique, il est présenté comme un tableau de toutes les particules connues dans la nature : les particules subatomiques qui composent la matière, comme les quarks et les électrons, et celles qui transportent ou médient les forces, comme les gluons et les photons. Le modèle est également livré avec un ensemble de règles sur le comportement de ces particules.
Mais les physiciens savent que le modèle standard est incomplet – il manque probablement certains éléments. Les prédictions basées sur le modèle ne correspondent souvent pas aux observations de l’univers réel. Il ne peut pas expliquer les énigmes clés comme la façon dont l’univers a atteint sa taille actuelle après le Big Bang, ou même comment il peut exister – plein de matière, et surtout absent de l’antimatière qui aurait dû l’annuler. Le modèle ne dit rien non plus sur la matière noire qui colle les galaxies ensemble, ou sur l’énergie noire qui stimule l’expansion cosmique. Son défaut le plus flagrant est peut-être son incapacité à tenir compte de la gravité. Des mesures incroyablement précises de particules connues sont donc essentielles pour déterminer ce qui manque, car elles aident les physiciens à se concentrer sur les lacunes du modèle standard.
“Le modèle standard est notre meilleure description de la réalité physique”, déclare Gerald Gabrielse, physicien à l’Université Northwestern, co-auteur de la nouvelle étude, ainsi que du résultat de 2008. “C’est une théorie très réussie dans la mesure où elle peut prédire essentiellement tout ce que nous pouvons mesurer et tester sur Terre, mais elle se trompe sur l’univers.”
En fait, la prédiction la plus précise que fait le modèle standard est la valeur du moment magnétique de l’électron. Si le moment magnétique prédit ne correspond pas à ce qui est observé dans les expériences, l’écart pourrait être un indice qu’il existe des particules virtuelles non découvertes en jeu. “Je dis toujours que la nature vous dit quelles équations sont correctes”, déclare Xing Fan, physicien à l’Université Northwestern qui a dirigé l’étude en tant qu’étudiant diplômé de l’Université de Harvard. “Et la seule façon de le tester est de comparer votre théorie au monde réel.”
