Les accélérateurs de particules, essentiels dans des domaines tels que la médecine, la fabrication et la physique fondamentale, s’orientent vers l’utilisation de muons, qui promettent des configurations plus petites et moins chères capables d’atteindre des énergies plus élevées.
De nouveaux résultats expérimentaux montrent que des particules appelées muons peuvent être rassemblées en faisceaux adaptés aux collisions à haute énergie, ouvrant la voie à une nouvelle physique.
Les progrès de la technologie des muons pourraient révolutionner les accélérateurs de particules, en offrant des alternatives plus compactes et plus économiques aux collisionneurs à grande échelle actuellement utilisés. Des expériences récentes ont démontré les technologies clés nécessaires aux collisionneurs de muons, ce qui indique une évolution vers une recherche en physique des particules à plus haute énergie et plus efficace.
Les accélérateurs de particules sont surtout connus pour faire entrer en collision la matière afin de sonder sa composition, mais ils sont également utilisés pour mesurer la structure chimique des médicaments, traiter les cancers et fabriquer des micropuces en silicium.
Les accélérateurs actuels utilisent des protons, des électrons et des ions, mais des accélérateurs plus puissants utilisant des muons – des cousins plus lourds des électrons – ont le potentiel de révolutionner le domaine. Les accélérateurs de muons seraient à la fois moins chers et plus petits, et pourraient donc être construits sur les mêmes sites que les collisionneurs existants tout en accédant à des énergies encore plus élevées.
Progrès dans la technologie des muons
Une nouvelle analyse d’une expérience utilisant un faisceau de muons a démontré le succès de l’une des technologies clés nécessaires aux accélérateurs de muons. Cela ouvre la voie à un développement plus rapide d’un collisionneur de muons que d’autres types d’accélérateurs utilisant des particules différentes.
L'analyse a été menée par collège impérial de Londres chercheurs, dans le cadre de la collaboration Muon Ionization Cooling Experiment (MICE), et leurs résultats sont publiés aujourd'hui (17 juillet) dans Physique de la nature.
Source de neutrons et de muons ISIS au laboratoire Rutherford Appleton de STFC au Royaume-Uni. Crédit : STFC
Le premier auteur de l’étude, le Dr Paul Bogdan Jurj, du département de physique de l’Imperial College, a déclaré : « Notre démonstration de principe est une excellente nouvelle pour la communauté internationale de la physique des particules, qui prépare la prochaine génération d’accélérateurs à haute énergie. Il s’agit d’une avancée importante vers la réalisation d’un collisionneur de muons, qui pourrait s’intégrer dans des sites existants, comme le FermiLab aux États-Unis, où l’enthousiasme pour cette technologie ne cesse de croître. »
La puissance des collisionneurs de muons
Les accélérateurs de particules les plus puissants au monde, comme le Grand collisionneur de hadrons (LHC), font s'entrechoquer des particules appelées protons à des énergies élevées. Ces collisions produisent de nouvelles particules subatomiques que les physiciens souhaitent étudier, comme le boson de Higgs et d'autres bosons et quarks.
Pour atteindre des collisions à plus haute énergie et accéder à de nouvelles découvertes et applications en physique, il faudrait construire un collisionneur de protons beaucoup plus grand. Le LHC a la forme d'un anneau de 27 km de circonférence, et des plans ont été élaborés pour construire potentiellement un collisionneur de près de 100 km.
Cependant, les coûts considérables et le temps nécessaire à la construction d'un tel collisionneur poussent certains physiciens à chercher d'autres solutions. Parmi les pistes prometteuses figurent les collisionneurs capables de faire s'entrechoquer des muons.
Les collisionneurs de muons seraient plus compacts et donc moins chers, et atteindraient des énergies effectives aussi élevées que celles proposées par le collisionneur de protons de 100 km dans un espace beaucoup plus réduit. Cependant, des progrès technologiques sont nécessaires pour garantir que les collisions de muons puissent être suffisamment fréquentes.
Défis et solutions dans l'accélération des muons
Le principal défi a été de rassembler les muons dans un espace suffisamment petit pour qu'une fois accélérés, ils forment un faisceau concentré. Cela est essentiel pour garantir qu'ils entrent en collision avec le faisceau de muons accélérés autour de l'anneau dans la direction opposée.
La collaboration MICE a déjà produit un tel faisceau en utilisant des lentilles magnétiques et des matériaux absorbant l'énergie pour « refroidir » les muons. Une première analyse a montré que cette méthode permettait de déplacer les muons vers le centre du faisceau.
La nouvelle analyse de cette expérience a examiné plus en détail la « forme » du faisceau et l'espace qu'il occupait. Grâce à cela, l'équipe a pu montrer que le faisceau était devenu plus « parfait » grâce au refroidissement : sa taille était réduite et les muons se déplaçaient de manière plus organisée.
Résultats prometteurs de la collaboration MICE
L'expérience a été réalisée à l'aide de la ligne de faisceaux de muons MICE de l'installation de faisceaux de neutrons et de muons ISIS du Science and Technology Facilities Council (STFC) au laboratoire Rutherford Appleton du STFC au Royaume-Uni. L'équipe travaille actuellement avec l'International Muon Collider Collaboration pour construire la prochaine étape des démonstrations.
Le porte-parole de la collaboration MICE, le professeur Ken Long, du département de physique de l'Imperial College, a déclaré : « Le résultat clairement positif montré par notre nouvelle analyse nous donne la confiance nécessaire pour aller de l'avant avec des prototypes d'accélérateurs plus grands qui mettent cette technique en pratique. »
Le Dr Chris Rogers, basé dans l'installation ISIS du STFC dans l'Oxfordshire, a dirigé l'équipe d'analyse MICE et dirige désormais le développement du système de refroidissement des muons pour le collisionneur de muons à CERNIl a déclaré : « Il s’agit d’un résultat important qui démontre de la manière la plus claire possible les performances de refroidissement du MICE. Il est désormais impératif de passer à l’étape suivante, le démonstrateur de refroidissement des muons, afin de livrer le collisionneur de muons le plus rapidement possible. »
