Des faisceaux de muons peuvent désormais être créés dans un appareil long comme une règle.
Des chercheurs du Berkeley Lab ont présenté un accélérateur laser-plasma (LPA) compact de 30 cm de long, capable de générer et de détecter des faisceaux de muons hautement directionnels. Il fonctionne en utilisant des impulsions laser intenses pour accélérer des faisceaux d'électrons, qui créent ensuite des muons en nombre beaucoup plus élevé et avec une plus grande directivité, offrant ainsi une nouvelle alternative puissante pour l'imagerie non destructive d'objets de grande taille ou dissimulés.
Les sources de muons artificiels conventionnelles sont volumineuses et coûteuses, ce qui rend de nombreuses applications d’imagerie dépendantes des rayons cosmiques naturels, rares et peu fiables. Le nouveau LPA surmonte ces contraintes en produisant des rendements de muons nettement plus élevés, réduisant ainsi les temps d'exposition de plusieurs mois à quelques minutes, selon l'étude publiée dans Accélérateurs et faisceaux d’examen physique.
Contrairement aux rayons X, qui sont facilement absorbés, les muons perdent progressivement de leur énergie, leur permettant de traverser de grandes structures ou cachées constituées de centaines de mètres de roche ou de matériaux denses comme le plomb et l'acier. Grâce à ce pouvoir de pénétration exceptionnel, l’imagerie du muon a révélé des chambres cachées dans la Grande Pyramide de Gizeh, sondé l’intérieur des volcans et inspecté des déchets nucléaires.
Les rayons cosmiques inondent constamment la Terre de muons. Environ 147 muons traversent chaque mètre carré de surface chaque seconde, et des milliards traversent chacun de nous au cours de notre vie. Cependant, les applications d'imagerie nécessitent des muons provenant de directions spécifiques. C'est pourquoi l'imagerie muonique traditionnelle nécessite des mois d'exposition pour collecter suffisamment de données pour obtenir une image claire.
La nécessité d’un appareil compact pouvant être transporté sur place a conduit les chercheurs vers les LPA. Plusieurs études avaient émis l'hypothèse que les LPA pourraient potentiellement générer des muons en tant que sous-produit de la collision de faisceaux d'électrons générés par un plasma laser avec des cibles à Z élevé ; Z représente ici le numéro atomique d’un élément. La plupart d’entre elles n’étaient que des prédictions informatiques, sans aucun support expérimental.
À l'installation BELLA du laboratoire de Berkeley, les chercheurs ont réalisé la première détection et caractérisation de faisceaux de muons directionnels produits par un accélérateur laser-plasma (LPA). À l’aide du laser, les chercheurs ont accéléré des électrons jusqu’à des énergies extrêmement élevées (multi-GeV) dans un canal plasma de 30 cm.
Ces électrons de haute énergie sont ensuite entrés en collision avec une cible à Z élevé (plomb), où ils ont émis des photons lorsqu'ils étaient déviés par les noyaux atomiques. Lorsque ces photons énergétiques frappaient les noyaux cibles, ils produisaient des paires muon-antimuon. Les muons résultants ont formé un faisceau collimaté hautement directionnel le long du trajet initial des électrons, avec des énergies atteignant plusieurs GeV.
Les simulations et les expériences révèlent deux populations distinctes de muons : des muons directionnels de haute énergie concentrés le long de l'axe central du faisceau, et des muons non directionnels de plus faible énergie dominant les régions éloignées du faisceau central.
Le LPA a également généré des flux de muons plus de 40 fois supérieurs à ceux des rayons cosmiques pour l’imagerie horizontale. Au lieu de s’appuyer sur le faible flux de muons provenant de sources cosmiques, le système a délivré plus de 20 muons par tir dans l’ouverture d’imagerie, offrant une résolution exceptionnelle à une vitesse sans précédent.
Les chercheurs notent que l'expérience établit les faisceaux d'électrons générés par le LPA comme sources pratiques de muons, ouvrant la voie à de futures applications construites autour de faisceaux à haute énergie et de détecteurs optimisés pour la reconstruction d'images par diffusion de muons.
Écrit pour vous par notre auteur Sanjukta Mondal, édité par Gaby Clark, et vérifié et révisé par Robert Egan, cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour maintenir en vie le journalisme scientifique indépendant. Si ce reporting vous intéresse, pensez à faire un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte en guise de remerciement.
