Relâchez les muons! Une percée en physique mènera à un nouveau type de collisionneur de particules

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L'expérience de refroidissement par ionisation des muons (MICE).
Photo: collège impérial de Londres

La prochaine génération de smasher d'atomes pourrait être un Anneau de 100 kilomètres, coûtant plus de 10 milliards de dollars, sans promesse de trouver quelque chose d'aussi glamour que le boson Higgs de la dernière décennie. Mais l'avenir de la physique doit-il être aussi vaste? Et si les chercheurs pouvaient sonder les secrets des plus petites particules en utilisant une technologie qui était, eh bien, plus petite?

Les scientifiques viennent de surmonter l'un des plus grands défis qui empêchent de produire un type d'accélérateur de particules plus efficace, qui accélérerait une particule instable appelée muon. Un collisionneur de muons pourrait potentiellement sonder une frontière à plus haute énergie, avec une empreinte plus petite et pour moins d'argent qu'un collisionneur en cercle urbain basé sur la technologie actuelle.

"Il semble convaincant qu'un collisionneur de muons qui peut rivaliser avec ce futur collisionneur de hadrons serait beaucoup moins cher", Daniel Kaplan, physicien des particules à l'Illinois Institute of Technology, a déclaré à Gizmodo. Kaplan dirige le consortium de collaborateurs américains sur le Expérience de refroidissement par ionisation des muons (MICE).

Les collisionneurs de particules recherchent aujourd'hui de nouvelles particules subatomiques, recherchent de nouvelles perspectives sur la façon dont les particules interagissent entre elles et testent des théories sur le fonctionnement de notre univers. Ils le font en accélérant deux classes de particules, soit les protons et les amas de protons ou d'électrons et leurs antiparticules, les positrons, en les brisant ensemble à l'intérieur d'un détecteur. Mais ces particules ont leurs inconvénients. Les protons sont composés de sous-structures appelées quarks, de sorte que les informations sont perdues lors de la collision, car il est difficile de garder une trace de ce qui est entré en collision avec quoi et de quel produit final. Les électrons n'ont pas de structure interne connue, mais ils produisent un rayonnement lorsqu'ils changent de direction, ce qui signifie qu'un accélérateur d'électrons efficace doit être très droit et long.

Les muons résolvent certains de ces problèmes: ce sont des particules ponctuelles, comme les électrons, mais elles sont 200 fois plus massives et ne libèrent pas autant de rayonnement lorsqu'elles changent de direction.

Mais les muons ont leurs propres problèmes qui les rendent difficiles à travailler. Ils se désintègrent en d'autres particules en environ 2 microsecondes. Et la façon dont les physiciens produisent des muons – écraser un faisceau de protons sur une cible pour produire directement des muons ainsi qu'une autre particule, appelée pion, qui se désintègre en muons – crée plus d'un jet de particules se déplaçant de manière aléatoire qu'un faisceau. Pour obtenir une source de muons bien tassée utilisable dans les expériences, il faut trouver un moyen d'aligner le jet en un faisceau avant la décomposition des muons.

Cette semaine, des physiciens de l'expérience de refroidissement par ionisation des muons (MICE)
ont annoncé les résultats d'un effort d'ingénierie de 20 ans et de décennies de travaux théoriques. Ils ont réussi à créer un faisceau de muons en utilisant une méthode appelée refroidissement par ionisation.

Le refroidissement par ionisation prend les muons se déplaçant au hasard et les fait passer à travers un appareil de refroidissement. L'appareil se compose de 12 bobines supraconductrices qui génèrent des champs magnétiques, qui entourent un récipient de 22 litres d'hydrogène liquide avec des «fenêtres» en aluminium à travers lesquelles passent les muons. Les muons transfèrent ensuite de l'énergie aux atomes d'hydrogène en les ionisant (c'est-à-dire en les faisant tomber des électrons) et émergent de l'autre côté de l'appareil un faisceau collimaté. Des cavités radiofréquences et des aimants accéléreraient alors ce faisceau aux énergies requises pour une expérience de physique.

Les physiciens théoriciens ont d'abord conçu la méthode de refroidissement par ionisation à la fin des années 1970 et au début des années 80, mais les défis étaient difficiles à surmonter, a expliqué Chris Rogers, physicien au STFC Rutherford Appleton Laboratory où l'expérience MICE a été réalisée.

"C'est un énorme défi d'ingénierie (étant donné) les types de champs magnétiques dont nous avions besoin pour générer", Dit Rogers. Ce n’est qu’au début des années 2000 que les physiciens ont envisagé de construire l’appareil. Une partie de ce qui les a motivés était l’intérêt accru pour les neutrinos, une sorte de particule subatomique qui interagit à peine avec la matière mais qui fait l’objet de certaines des questions les plus pressantes des physiciens aujourd’hui. Les muons se désintègrent en neutrinos, donc un faisceau de muons à son tour pourrait être utile comme faisceau de neutrinos.

Les chercheurs du MICE ont commencé à prendre des données en 2012, ont fini de prendre des données en 2017, ont analysé les données pendant deux ans. Leur analyse a mesuré le faisceau avant et après le système de refroidissement, démontrant que le système avait l'effet escompté et supprimait vraiment le mouvement aléatoire des muons, selon le papier publié dans Nature.

D'autres physiciens qui n'étaient pas impliqués dans MICE étaient enthousiasmés par ce tour de force expérimental. «Je suis vraiment ravie de voir cela», a déclaré Heidi Schellman, physicienne des particules à l’Oregon State University, à Gizmodo. Elle a été particulièrement impressionnée par leur capacité à exploiter des aimants aussi puissants, éteindre s'il n'est pas contrôlé correctement, causant des dommages à l'équipement. Schellman a déclaré qu'elle était ravie de voir les applications potentielles de cette technologie dans la science des neutrinos.

Le refroidissement du faisceau était peut-être le principal défi dans la réalisation d'un accélérateur de muons. Désormais, les physiciens peuvent envisager de concevoir des collisionneurs plus rentables sur la base des conceptions. Mais la découverte est passionnante en soi. «Ce qui m'excite le plus, c'est la nouvelle capacité que nous avons», a déclaré Rogers. "Ce que nous avons montré, c'est que nous pouvons maintenant préparer une nouvelle particule pour l'accélération."

Les accélérateurs de particules sont déjà utilisés dans les expériences de physique, la médecine et d'autres applications. Peut-être que ces muons permettront des applications auxquelles les physiciens n’ont pas encore pensé.

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