Soutenance de thèse de Letizia PARATO

Le modèle standard de la physique des particules décrit la grande majorité des mesures expérimentales et des observations des quantités impliquant des particules élémentaires. Toute déviation significative par rapport à ses prédictions doit être considérée comme une forte indication de l'existence d'une nouvelle physique fondamentale, qui va au-delà de ce que nous savons actuellement du monde subatomique. L'une de ces déviations concerne le moment magnétique anomal du muon, $a_mu$, qui résulte de fluctuations quantiques et qui modifie le comportement du spin du muon dans un champ magnétique. En effet, depuis la mesure de cette propriété du muon au Brookhaven National Laboratory au début des années 2000, cette mesure présente une tension croissante avec la prédiction du modèle standard, atteignant 3,7$sigma$ (soit 3,7 écarts-types) à l'été 2020. En avril 2021, une nouvelle et première mesure de $a_mu$ au Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL) a été rapportée, portant le désaccord avec la prédiction du modèle standard de référence à 4,2$sigma$. La principale source d'incertitude dans le calcul du modèle standard de $a_mu$ est associée aux corrections provenant de l'interaction forte, décrite par la chromodynamique quantique (QCD). Ces corrections sont dites hadroniques, car elles impliquent des quarks et des gluons qui se lient en hadrons. La contribution la plus incertaine est due aux effets de polarisation hadronique du vide (HVP). Ces effets, ainsi que d'autres effets de la QCD à basse énergie, sont particulièrement difficiles à calculer en raison des non-linéarités des équations de la QCD dans ce régime. Dans cette thèse, nous présentons le premier calcul en QCD sur réseau de cette contribution à atteindre une précision proche de celle de la prédiction de référence, basé sur des techniques dispersives et sur des mesures de la section efficace pour l'annihilation électron-positron en hadrons. La QCD sur réseau est une formulation de la QCD qui rend la théorie accessible à des simulations à grande échelle sur des superordinateurs. Contrairement à la détermination basée sur les données, nos simulations et analyses donnent une prédiction du modèle standard qui concorde avec la mesure moyenne mondiale de $a_mu$, au niveau 1,5$sigma$, ce qui suggère qu'une nouvelle physique n'est peut-être pas nécessaire pour expliquer cette mesure. Cependant, cela se fait au prix d'une tension de 2,1$sigma$ avec la détermination de la contribution des HVP basée sur les données et d'un désaccord de 3,7$sigma$ avec le calcul basé sur les données, pour une quantité connexe qui est moins difficile à calculer sur le réseau. Ce dernier désaccord commence maintenant à être confirmé par d'autres calculs indépendants sur le réseau, ce qui indique que les tensions entre le réseau et l'approche basée sur les données, révélées par les calculs présentés dans cette thèse, doivent être comprises. Cela sera nécessaire pour pouvoir exploiter pleinement les mesures à venir de l'expérience FNAL, qui prévoit de réduire l'incertitude sur la mesure moyenne mondiale de $a_mu$ d'un facteur d'environ 3,5 dans les années à venir, ainsi que les mesures futures d'une expérience en cours de construction au J-PARC au Japon.

The standard model of particle physics describes the vast majority of experimental measurements and observations of quantities involving elementary particles. Any significant deviation from its predictions would have to be understood as evidence for new, fundamental physics, which goes beyond what we currently known about the subatomic world. One such deviation concerns the anomalous magnetic moment of the muon, $a_mu$, that arises from quantum fluctuations and which modifies the behavior of the muon’s spin in a magnetic field. Indeed, ever since the measurement of this muon’s property at Brookhaven National Laboratory in the early 2000s, this measurement has exhibited an increasing tension with the standard-model prediction, reaching 3.7$sigma$ (i.e. 3.7 standard deviations) in summer of 2020. In April 2021, a new, first measurement of $a_mu$ at the Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL) was reported, bringing the discreprancy with the reference standard-model prediction to 4.2$sigma$. The main source of uncertainty in the standard-model computation of $a_mu$ is associated with corrections arising from the strong interaction, described by quantum chromodynamics (QCD). These corrections are called hadronic, because they involve quarks and gluons which bind into hadrons. The most uncertain such contribution is due to hadronic vacuum polarization (HVP) effects. These, and other low-energy QCD effects, are particularly difficult to compute because of the nonlinearities of QCD’s equations in that regime. In this thesis we present the first lattice QCD calculation of this contribution to reach a precision close to that of the reference prediction, based on dispersive techniques and on measurements of the cross-section for electron-positron annihilation into hadrons. Lattice QCD is a formulation of QCD which make the theory amenable to large-scale simulations on supercomputers. Unlike the data-driven determination, our simulations and analyses yield a standard-model prediction which agrees with the world-average measurement of $a_mu$, at the 1.5$sigma$ level, suggesting that new physics may not be required to explain this measurement. However, this comes at the expense of a 2.1$sigma$ tension with the data-driven determination of the HVP contribution and a 3.7$sigma$ discrepancy with the data-driven computation for a related quantity that is less difficult to calculate on the lattice. The latter discrepancy is now being confirmed by other, independent lattice calculations, indicating that the tensions between the lattice and the data-driven approaches, revealed by the calculations presented in this thesis, should be understood. This will be required to be able to fully leverage the upcoming measurements by the FNAL experiment, that plans to reduce the uncertainty on the world-average measurement of $a_mu$ by a factor of around 3.5 in the coming years, as well as to interpret the future measurements by an experiment under construction at J-PARC in Japan, which also plans to measure $a_mu$.