Les physiciens apprivoisent les particules fondamentales de muons pour en faire un faisceau contrôlé avec précision

Les physiciens apprivoisent les particules fondamentales de muons pour en faire un faisceau contrôlé avec précision

Pour la première fois, des chercheurs ont accéléré des muons - les parents les plus lourds et les plus instables des électrons - dans un faisceau étroitement contrôlé, rapprochant ainsi la vision d'une collision de muons de la réalité.

Une équipe du Complexe japonais de recherche sur l'accélérateur de protons (J-PARC) à Tokai a pointé un laser sur un flux de muons pour immobiliser presque les particules en mouvement rapide. Les chercheurs ont ensuite appliqué un champ électrique pour accélérer ces muons « refroidis » jusqu’à environ 4 % de la vitesse de la lumière. Les résultats, qui n'ont pas encore été évalués par des pairs, ont été publiés le 15 octobre sur le serveur de prépublication arXiv. 1.

Cette réalisation constitue un « grand pas en avant » dans l’approche nécessaire pour parvenir à un Collisionneur de muons construire. Un tel collisionneur pourrait être utilisé pour effectuer les mesures extrêmement sensibles nécessaires à la découverte de nouveaux phénomènes physiques. Il serait plus petit et potentiellement moins cher à construire que les autres collisionneurs de particules, a déclaré Tova Holmes, physicienne des particules à l'Université du Tennessee à Knoxville.

Les muons sont des particules élémentaires à durée de vie courte, presque identiques aux électrons, mais dont la masse est plus de 200 fois supérieure. Au cours de la dernière décennie, il y a eu une tendance croissante vers un collisionneur de muons compact qui pourrait rivaliser, voire dépasser les énergies atteintes par des collisionneurs géants de protons et d'électrons tels que le Grand collisionneur de hadrons de 27 kilomètres de long au CERN, le laboratoire européen de physique des particules près de Genève. Un collisionneur de muons de 10 kilomètres de long pourrait produire des particules avec autant d'énergie que celles d'une machine à protons de 90 kilomètres de long, car les muons sont des particules élémentaires dont toute l'énergie est consacrée à chaque collision. En revanche, des collisions de protons se produisent entre les quarks constituants.

Cependant, l'accélération des muons est extrêmement difficile car ils n'existent que pendant environ 2 microsecondes avant de se convertir en électron et en deux types de Neutrinos désintégrer. Ils se déplacent également dans des directions différentes à des vitesses différentes, ce qui les rend difficiles à apprivoiser dans un jet étroit et de haute intensité. Bien que les chercheurs aient déjà accéléré des muons, les faisceaux sont "très divergents", explique le co-auteur de l'étude Shusei Kamioka, physicien des particules à l'Organisation de recherche sur les accélérateurs de haute énergie à Tsukuba, au Japon. Cela rend les faisceaux trop imprévisibles pour être utilisés pour des mesures sensibles.

Pour surmonter cet obstacle, Kamioka et ses collègues ont projeté un faisceau de muons chargés positivement, l'équivalent antimatière des muons, appelés antimuons, dans un aérogel de silice, un matériau semblable à une éponge souvent utilisé comme isolant thermique. Lorsque les muons positifs sont entrés en collision avec des électrons dans l’aérogel, des atomes neutres de « muonium » se sont formés. Les chercheurs ont tiré un laser sur ces atomes pour couper leurs électrons, les transformant ainsi en muons positifs presque gelés. Ce processus de refroidissement a rendu les vitesses et les directions des particules plus uniformes.

Les chercheurs ont ensuite utilisé un champ électrique pour accélérer ces muons ralentisseurs jusqu’à une énergie de 100 kiloélectronvolts, atteignant une vitesse d’environ 4 % de la vitesse de la lumière.

Même si les résultats sont prometteurs, il reste encore un long chemin à parcourir avant que la collision de muons ne devienne une réalité, explique Holmes. L’approche devrait être étendue pour produire des faisceaux encore plus étroits et de plus haute intensité, ajoute-t-elle.

Kamioka a déclaré que lui et ses collègues développaient la technologie nécessaire pour accélérer les muons à 94 % de la vitesse de la lumière et espéraient y parvenir d'ici 2028. « C'est notre prochaine étape », dit-il.

En plus de construire un futur collisionneur, les physiciens pourraient utiliser des faisceaux de muons de haute énergie dans des expériences allant au-delà du modèle standard de la physique des particules, telles que des mesures précises du mystérieux magnétisme des muons – qui est plus fort que ce que prédit théoriquement, a déclaré Kamioka.

1. Aritome, S. et al. Préimpression à https://doi.org/10.48550/arXiv.2410.11367 (2024).

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