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Comment un «accélérateur de muons» pourrait percer certains des plus grands mystères de l'univers

Cet article a été initialement publié sur La conversation. La publication a contribué l'article à Space.com Voix d'experts: Op-Ed & Insights.

Paul Kyberd, Maître de conférences en informatique de la physique des particules, Brunel University London

Le fait que nous soyons ici est l'un des plus grands casse-tête de la physique. Nous sommes fabriqués à partir de particules normales telles que des électrons, mais chacune de ces particules a également un compagnon d'antimatière qui est pratiquement identique à lui-même, mais avec la charge opposée. Quand la matière et l'antimatière entre en contact, elles s'anéantissent en un éclair de lumière.

La physique suggère que la matière et l'antimatière ont été créées en quantités presque égales lors du Big Bang. Alors, comment se fait-il qu'il ne reste presque plus que de la matière aujourd'hui – pourquoi la matière et l'antimatière ne se sont-elles pas annihilées pour rendre l'univers sans vie? Nos nouvelles recherches ont permis aux scientifiques de construire un nouveau type d'accélérateur, basé sur des particules appelées muons, qui pourrait nous aider à le découvrir.

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Un muon est presque identique à un électron, sauf qu'il est 207 fois plus lourd. De plus, il se désintègre en d'autres particules en deux millionièmes de seconde. Cette durée de vie, bien que courte pour nous, est assez longue pour une particule fondamentale instable, et cela explique pourquoi les muons constituent presque tous les rayons cosmiques chargés qui atteignent la surface de la Terre.

Une grande partie de notre capacité à étudier la structure de la matière aux plus courtes distances dépend de la création de faisceaux de particules et de leur accélération à des énergies élevées. Cependant, il n'y a que quatre particules stables qui peuvent être utilisées de cette manière, l'électron et son anti-particule (positron), et le proton et son antiparticule (antiproton).

Les faisceaux de particules constitués de ceux-ci sont utilisés depuis de nombreuses années, mais ces deux paires présentent des inconvénients. L'électron et son partenaire sont très légers – lorsque nous essayons de les accélérer, ils rayonnent de l'énergie électromagnétique. Cela peut être utile pour des applications telles que la télévision, mais il est difficile d'atteindre le type d'énergie dont nous avons besoin pour améliorer notre compréhension de l'univers.

Contrairement aux électrons, le proton et l'anti-proton sont constitués de particules plus fondamentales – les quarks et les gluons. Dans une collision entre un proton et un anti-proton, ce sont ces particules fondamentales qui entrent en collision, ce qui entraîne un crash énergétique inférieur à celui que vous auriez obtenu si les protons avaient été des particules vraiment fondamentales.

Chaque particule a également une antiparticule, non incluse ici. (Crédit d'image: Publicdomainpictures.net)

Les muons sont suffisamment lourds pour émettre beaucoup moins d'énergie, mais fondamentaux (non constitués de particules plus petites) pour que toute leur énergie soit disponible pour l'enquête. Lorsque les scientifiques ont créé la particule Higgs, lauréate du prix Nobel, avec des protons, ils avaient besoin d'une machine de 10 km de diamètre: le Large Hadron Collider. Une machine à muons, cependant, pourrait atteindre cet objectif avec une circonférence de seulement 200 mètres.

L'inconvénient des muons est que, contrairement aux électrons et aux protons, ils sont instables et doivent être produits puis utilisés rapidement avant de se désintégrer. Nous pouvons produire des muons en prenant un faisceau étroit et de haute intensité de protons et en le dirigeant vers une cible en métal, comme le titane. Cela produit un faisceau d'une autre particule fondamentale appelée le pion.

Les pions forment un faisceau qui s'étale. Si le faisceau de protons d'origine ressemble à un pointeur laser, le faisceau de pions ressemble plus à un faisceau de torche – avec une intensité diminuant rapidement avec la distance. Les pions se désintègrent ensuite pour produire les muons, ce qui signifie que le faisceau se propage encore plus – ressemblant à une ampoule.

Nous ne pouvons pas accélérer un tel faisceau dans une machine comme le LHC, nous devons donc créer un faisceau qui s'étale beaucoup moins. C'est un défi étant donné que nous n'avons que deux millionièmes de seconde pour le produire, l'accélérer et le heurter.

Mais notre équipe de physiciens et d'ingénieurs du monde entier – connue sous le nom d'expérimentation de refroidissement par ionisation par muons (MICE) – a maintenant montré que c'était possible. Nous avons utilisé un processus appelé refroidissement pour aider à comprimer le faisceau. Cela implique de faire passer les muons à travers un récipient contenant de l'hydrogène liquide à -250 ° C, ce qui ralentit les particules. Nous les avons ensuite passés à travers une cavité électromagnétique, ce qui a provoqué une accélération du faisceau dans la direction requise.

En répétant cela plusieurs fois, il est possible de créer un faisceau qui s'étale beaucoup moins et a un noyau dense. Ce faisceau peut être injecté dans un accélérateur de particules pour produire un faisceau de muons à haute énergie. Un tel faisceau peut être mis en collision ou laissé circuler jusqu'à ce que les muons se désintègrent en un faisceau intense de neutrinos – bien au-delà de tout faisceau de neutrinos qui peut actuellement être produit.

Sonder l'univers

En fait, un faisceau de neutrinos créé à partir de muons fait partie d'une usine de neutrinos prévue, ce qui nous permettrait de répondre à de nombreuses questions liées à l'origine et à l'évolution de l'univers – telles que le mystérieux déséquilibre entre la matière et l'antimatière.

Les neutrinos pourraient également nous aider à comprendre les détails de la façon dont les éléments essentiels à la vie tels que l'oxygène, le carbone et le silicium, qui se forment dans les étoiles, se propagent à travers l'univers. Ces éléments plus lourds n'ont pas été produits lors du Big Bang et sont pourtant responsables de la planète sur laquelle nous vivons et de toute la vie qui nous entoure. Nous savons que les explosions de neutrinos, qui sont libérées lors d'explosions d'étoiles (supernovas), sont responsables.

Nous pourrions également entrer en collision avec deux faisceaux de muons de la même manière que nous heurtons des protons au LHC. Les muons, étant plus simples que les protons, permettraient par exemple une détermination plus précise des propriétés de la particule de Higgs.

Les propriétés du muon en font également un outil précieux dans le domaine de la physique des matériaux. La possibilité de créer des faisceaux plus focalisés peut améliorer les mesures actuelles et ouvrir de nouvelles méthodes de diagnostic.

Notre méthode peut également être utilisée pour aider à augmenter l'intensité de tout autre faisceau de particules chargées. Ce fut un long projet s'étalant sur une douzaine d'années, mais cela en valait la peine lorsque nous considérons quel outil puissant nous avons créé.

Cet article est republié de La conversation sous licence Creative Commons. Lis le article original.

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