Réconcilier le modèle standard avec l’anomalie du muon

Depuis cinquante ans, le modèle standard de la physique des particules constitue la pierre angulaire de notre compréhension du monde subatomique. Il englobe la description de l’électromagnétisme et des interactions faible et forte, et a donné un cadre interprétatif unique et cohérent aux expériences de physique des particules. Pourtant, depuis près de trente ans, une mesure refuse de s'aligner : celle du moment magnétique anormal du muon — une particule élémentaire semblable à l'électron, mais 207 fois plus lourde. Ce « g-2 », petite correction quantique aux propriétés magnétiques du muon, résistait jusqu’à présent à toute réconciliation avec la théorie. Cette tension aurait atteint son paroxysme le 3 juin 2025, lorsque l'expérience Muon g-2 du Fermilab de Chicago a conclu sa campagne de six ans par une mesure d'une précision époustouflante de 127 parties par milliard (en haut — triangle vert —  sur la figure). Par rapport à la prédiction théorique de référence de 2020, l'écart se serait élevé à 5,8 écarts-types (voir figure), dépassant le seuil conventionnellement admis pour la découverte de nouvelles particules ou forces.

Ces recherches ont été menées dans les laboratoires CNRS suivants :

• Centre Physique Théorique (CPT, Université Aix-Marseille / CNRS / Université de Toulon)
• Laboratoire de Physique de l’Ecole Normale Supérieure de Paris (LPENS, CNRS / ENS-PSL / Sorbonne Université / Université Paris Cité)
• Laboratoire de physique des 2 infinis - Irène Joliot-Curie (IJCLab, CNRS / Université Paris-Saclay)
• Laboratoire Physique Nucléaire et Hautes Energies (LPNHE, CNRS / Sorbonne Université)

Or, les collaborations Budapest-Marseille-Wuppertal (BMW)1  et Davier-Malaescu-Zhang (DMZ) viennent de franchir une étape décisive : leur nouveau calcul de l'élément le plus incertain de la prédiction du modèle standard — la contribution au moment magnétique du muon des fluctuations quantiques de quarks, antiquarks et gluons, connue sous le nom de « polarisation hadronique du vide » — atteint une précision inégalée et s'avère en excellent accord avec la mesure expérimentale. Leur résultat est 1,6 fois plus précis que le calcul réalisé par BMW en 2020 (voir figure), qui avait déjà suggéré que le désaccord entre mesure et prédiction du g-2 pouvait être dû à une faille dans les calculs précédents plutôt qu'à l'émergence d'une nouvelle physique. Ce résultat antérieur a été corroboré par de multiples autres collaborations indépendantes de QCD sur réseau (techniques de calcul numérique pour la chromodynamique quantique) à travers le monde, comme le décrit le livre blanc de 2025 de la Muon g-2 Theory Initiative (voir « White paper ‘25 » sur la figure), confirmant ainsi l'approche sur réseau comme nouvelle norme pour ce calcul.

Le nouveau calcul repose sur une approche hybride : il marie de vastes simulations de QCD sur réseau — dans lesquelles les équations de la physique des particules sont résolues sur des maillages extrêmement fins, mobilisant certains des plus puissants supercalculateurs du monde — avec des données de collisions électron-positon à basses énergies, domaine où toutes les expériences s'accordent. Cela permet de contourner les divergences problématiques observées entre les diverses expériences à des énergies plus élevées et d'atteindre une précision supérieure à celle que chacune de ces méthodes pourrait atteindre seule.

Il en résulte une prédiction du modèle standard qui concorde avec la mesure à seulement 0,5 écart-type près (voir le carré rouge en haut de la figure), un changement spectaculaire de situation par rapport aux tensions théorie-expérience d’il y a quelques années à peine, et une cohérence remarquable pour une grandeur connue avec onze chiffres significatifs. Réunir les forces électromagnétique, électrofaible et forte en une seule prédiction d'une telle précision constitue une grande réussite de la physique théorique moderne, une épopée qui a débuté en 1947 avec les calculs pionniers de Schwinger et qui a depuis mobilisé des générations de physiciens.

Il reste toutefois des questions en suspens. Quelle est l’origine des divergences entre diverses expériences de collision électron-positon, observées à des énergies plus élevées que celles utilisées dans le nouveau calcul ? Que dire des contradictions entre certaines de ces expériences et les calculs de la QCD sur réseau ? Les équipes BMW et DMZ mènent actuellement des études conjointes pour y répondre. Résoudre ces énigmes permettrait non seulement de compléter le tableau, mais aussi d’obtenir une prédiction du modèle standard encore plus précise, suffisamment fine pour correspondre à l’extraordinaire précision expérimentale déjà atteinte par le Fermilab (cf. figure).

Plus généralement, les futures expériences, notamment Muon g-2/EDM au J-PARC au Japon et MUonE au CERN, ainsi que les nouvelles données et analyses issues des collisions électron-positon et les nouveaux calculs sur réseau continueront d'affiner ce dialogue remarquable entre théorie et expérience. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature.

• 1La collaboration BMW implique également des équipes de l’Université Eötvös Loránd (Hongrie), de l’Université de Wuppertal et du Forschungszentrum Jülich (Allemagne), de la Pennsylvania State University (États-Unis), et de l’University of Adelaide (Australie).