Des collisionneurs de particules pour étudier « l’univers très primitif » : démonstration d’un collisionneur de muons

Les accélérateurs de particules sont utilisés comme outils de recherche pour l'étude de l'univers très primitif. Les collisionneurs de hadrons (en particulier le Grand collisionneur de hadrons LHC du CERN) et les collisionneurs électron-positon sont à l'avant-garde de l'exploration de l'univers très primitif. Les expériences ATLAS et CMS au Grand collisionneur de hadrons (LHC) ont réussi à découvrir le boson de Higgs en 2012. Un collisionneur de muons pourrait être d'une utilité considérable dans de telles études, mais ce n'est pas encore une réalité. Des chercheurs ont maintenant réussi à accélérer un muon positif à environ 4 % de la vitesse de la lumière. Il s'agit du premier refroidissement et de la première accélération de muons au monde. En tant que preuve de concept, cela ouvre la voie à la réalisation du premier accélérateur de muons dans un avenir proche.  

L'Univers primitif est actuellement étudié par le télescope spatial James Webb (JWST). Dédié exclusivement à l'étude de l'Univers primitif, le JWST le fait en captant des signaux optiques/infrarouges provenant des premières étoiles et galaxies formées dans l'Univers après le Big Bang. Récemment, le JWST a réussi à découvrir la galaxie la plus éloignée, JADES-GS-z14-0, formée dans l'Univers primitif environ 290 millions d'années après le Big Bang.  

L’univers est divisé en trois phases : l’ère du rayonnement, l’ère de la matière et l’ère actuelle de l’énergie noire. Du Big Bang à environ 50,000 200 ans, l’univers était dominé par le rayonnement. Elle a été suivie par l’ère de la matière. L’ère galactique de l’ère de la matière, qui a duré d’environ 3 millions d’années après le Big Bang à environ XNUMX milliards d’années après le Big Bang, a été caractérisée par la formation de grandes structures comme les galaxies. Cette époque est généralement appelée « univers primitif » étudié par le JWST.  

« L’univers très primitif » fait référence à la première phase de l’univers peu après le Big Bang, lorsqu’il était extrêmement chaud et entièrement dominé par le rayonnement. L’époque de Planck est la première époque de l’ère du rayonnement qui a duré du Big Bang à 10^{- 43} s. Avec une température de 10³² K, l'univers était extrêmement chaud à cette époque. L'époque de Planck fut suivie par les époques des quarks, des leptons et du nucléaire ; toutes furent de courte durée mais caractérisées par des températures extrêmement élevées qui diminuèrent progressivement à mesure que l'univers s'étendait.  

Il n'est pas possible d'étudier directement cette phase primitive de l'univers. On peut toutefois recréer les conditions des trois premières minutes de l'univers après le Big Bang dans les accélérateurs de particules. Les données générées par les collisions de particules dans les accélérateurs/collisionneurs offrent une fenêtre indirecte sur l'univers très primitif.  

Les collisionneurs sont des outils de recherche très importants en physique des particules. Ce sont des machines circulaires ou linéaires qui accélèrent les particules à des vitesses très élevées proches de la vitesse de la lumière et leur permettent d'entrer en collision avec une autre particule venant de la direction opposée ou contre une cible. Les collisions génèrent des températures extrêmement élevées de l'ordre de plusieurs milliers de milliards de Kelvin (semblables aux conditions présentes aux premières époques de l'ère des radiations). Les énergies des particules en collision s'additionnent, ce qui fait que l'énergie de collision est plus élevée et se transforme en matière sous la forme de particules massives qui existaient dans l'univers primitif selon la symétrie masse-énergie. De telles interactions entre des particules de haute énergie dans les conditions qui existaient dans l'univers primitif ouvrent des fenêtres sur le monde autrement inaccessible de cette époque et l'analyse des sous-produits des collisions offre un moyen de comprendre les lois régissant la physique.  

L'exemple le plus célèbre de collisionneur est peut-être le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, un collisionneur de grande taille dans lequel des hadrons (particules composites constituées uniquement de quarks, comme les protons et les neutrons) entrent en collision. Il s'agit du collisionneur le plus grand et le plus puissant au monde, qui génère des collisions à une énergie de 13 TeV (téraélectronvolts), soit l'énergie la plus élevée atteinte par un accélérateur. L'étude des sous-produits des collisions a été très enrichissante jusqu'à présent. La découverte du boson de Higgs en 2012 par les expériences ATLAS et CMS au Grand collisionneur de hadrons (LHC) est une étape importante dans la science.  

L'échelle d'étude de l'interaction des particules est déterminée par l'énergie de l'accélérateur. Pour explorer à des échelles de plus en plus petites, il faut des accélérateurs d'énergie de plus en plus élevée. Il y a donc toujours une quête d'accélérateurs à plus haute énergie que ceux actuellement disponibles pour l'exploration complète du modèle standard de la physique des particules et l'investigation à des échelles plus petites. Par conséquent, plusieurs nouveaux accélérateurs à plus haute énergie sont actuellement en cours de développement.  

Le Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité (HL-LHC) du CERN, qui devrait être opérationnel d'ici 2029, est conçu pour accroître les performances du LHC en augmentant le nombre de collisions afin de permettre l'étude plus détaillée des mécanismes connus. D'autre part, le futur collisionneur circulaire (FCC) est le projet très ambitieux du CERN de collisionneurs de particules à hautes performances qui aurait une circonférence d'environ 100 km et se trouverait à 200 mètres sous terre et succéderait au Grand collisionneur de hadrons (LHC). Sa construction devrait commencer dans les années 2030 et se déroulerait en deux étapes : le FCC-ee (mesures de précision) sera opérationnel d'ici le milieu des années 2040, tandis que le FCC-hh (haute énergie) commencera à fonctionner dans les années 2070. Le FCC devrait explorer l'existence de nouvelles particules plus lourdes, hors de portée du LHC, et l'existence de particules plus légères qui interagissent très faiblement avec les particules du modèle standard.  

Ainsi, un groupe de particules qui entrent en collision dans un collisionneur est celui des hadrons tels que les protons et les noyaux, qui sont des particules composites constituées de quarks. Ceux-ci sont lourds et permettent aux chercheurs d'atteindre des énergies élevées comme dans le cas du LHC. Un autre groupe est celui des leptons tels que les électrons et les positons. Ces particules peuvent également entrer en collision comme dans le cas du Grand collisionneur électron-positon (LEPC) et du collisionneur SuperKEKB. L'un des principaux problèmes du collisionneur de leptons à base d'électrons et de positons est la grande perte d'énergie due au rayonnement synchrotron lorsque les particules sont forcées sur une orbite circulaire, ce qui peut être surmonté en utilisant des muons. Comme les électrons, les muons sont des particules élémentaires mais sont 200 fois plus lourds que les électrons, d'où une perte d'énergie bien moindre due au rayonnement synchrotron.  

Contrairement aux collisionneurs de hadrons, un collisionneur de muons peut fonctionner en utilisant moins d'énergie, ce qui rend un collisionneur de muons de 10 TeV au même niveau qu'un collisionneur de hadrons de 100 TeV. Par conséquent, les collisionneurs de muons pourraient devenir plus pertinents après le Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité (HL-LHC) pour les expériences de physique à haute énergie par rapport au FCC-ee, ou CLIQUEZ (Collisionneur linéaire compact) ou JE VERRAIS (International Linear Collider). Compte tenu des délais très longs pour les futurs collisionneurs à haute énergie, les collisionneurs de muons pourraient être le seul outil de recherche potentiel en physique des particules pour les trois prochaines décennies. Les muons peuvent être utiles pour la mesure ultra-précise du moment magnétique anormal (g-2) et du moment dipolaire électrique (EDM) en vue d'une exploration au-delà du modèle standard. La technologie des muons a également des applications dans plusieurs domaines de recherche interdisciplinaires.  

Cependant, la réalisation de collisionneurs de muons pose des défis techniques. Contrairement aux hadrons et aux électrons qui ne se désintègrent pas, les muons ont une courte durée de vie de seulement 2.2 microsecondes avant de se désintégrer en électron et neutrinos. Mais la durée de vie des muons augmente avec l'énergie, ce qui implique que leur désintégration peut être retardée si elle est accélérée rapidement. Mais l'accélération des muons est techniquement difficile car ils n'ont pas la même direction ou la même vitesse.  

Récemment, les chercheurs du Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) ont réussi à surmonter les défis de la technologie des muons. Ils ont réussi à accélérer un muon positif à environ 4 % de la vitesse de la lumière pour la première fois au monde. Il s'agit de la première démonstration du refroidissement et de l'accélération d'un muon positif après des années de développement continu des technologies de refroidissement et d'accélération.  

L'accélérateur de protons du J-PARC produit environ 100 millions de muons par seconde. Pour ce faire, les protons sont accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière et ils entrent en contact avec le graphite pour former des pions. Les muons sont formés à partir de la désintégration des pions.  

L'équipe de recherche a produit des muons positifs ayant une vitesse d'environ 30 % de la vitesse de la lumière et les a injectés dans un aérogel de silice. Les muons ont pu se combiner avec les électrons de l'aérogel de silice, ce qui a donné naissance au muonium (une particule neutre, semblable à un atome, ou pseudo-atome, constituée d'un muon positif au centre et d'un électron autour du muon positif). Par la suite, les électrons ont été extraits du muonium par irradiation au laser, ce qui a donné des muons positifs refroidis à environ 0.002 % de la vitesse de la lumière. Après cela, les muons positifs refroidis ont été accélérés à l'aide d'un champ électrique à radiofréquence. Les muons positifs accélérés ainsi créés étaient directionnels, car ils partaient de près de zéro pour devenir un faisceau de muons hautement directionnel et ont été progressivement accélérés pour atteindre environ 4 % de la vitesse de la lumière. Il s'agit d'une étape importante dans la technologie de l'accélération des muons.  

L’équipe de recherche prévoit d’accélérer à terme les muons positifs à 94 % de la vitesse de la lumière. 

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Références:  

1. Université de l'Oregon. L'univers primitif – Vers le début de Tim. Disponible à l'adresse https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html 

2. CERN. Accélérateur de science – Collisionneur de muons. Disponible à l'adresse https://home.cern/science/accelerators/muon-collider 

3. J-PARC. Communiqué de presse – Premier refroidissement et accélération de muons au monde. Publié le 23 mai 2024. Disponible sur https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html  

4. Aritome S., et al., 2024. Accélération de muons positifs par une cavité radiofréquence. Pré-impression sur arXiv. Soumis le 15 octobre 2024. DOI : https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367  

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