Les physiciens des particules rêvent d’un collisionneur de muons

Jul 13, 2023

Après des années passées dans l'obscurité, les propositions concernant un collisionneur de muons reprennent de l'ampleur parmi les physiciens des particules

Les physiciens des particules ne sont pas des évangélistes, mais dans les journaux, lors de conférences et avec des T-shirts, des autocollants et des mèmes, beaucoup d'entre eux répandent la bonne parole d'un collisionneur de muons - une machine de nouvelle génération qui briserait ensemble les muons, les énormes cousins ​​des des électrons. Dans un manifeste de 2021, « The Muon Smasher's Guide », les partisans des particules ont exposé leur cas. "Nous construisons des collisionneurs non pas pour confirmer ce que nous savons déjà, mais pour explorer ce que nous ne savons pas", ont-ils écrit. "Les muons appellent et nous devons y aller."

Pour les partisans, l’attrait d’un collisionneur de muons réside dans sa capacité à combiner les atouts de deux types de collisionneurs existants. Ces machines massives entrent généralement en collision soit avec des protons, soit avec des électrons dans des anneaux souterrains. En enregistrant les conséquences de ces collisions, les physiciens peuvent recueillir des informations sur la configuration du territoire subatomique. Chaque méthode a ses avantages et ses inconvénients. Les protons lourds, dont chacun est en réalité un amas de particules plus petites et plus fondamentales, créent des collisions désordonnées, obstruées par des débris et à haute énergie. Les électrons légers entrent en collision proprement mais à des énergies plus faibles.

La principale installation actuelle, le Grand collisionneur de hadrons (LHC), brise des protons pour sonder les limites du modèle standard, la théorie qui sert de carte du territoire le plus fondamental de l'univers. En tant que carte, le modèle standard a été un succès jusqu'à l'erreur. Il décrit avec précision le paysage connu des particules élémentaires et les forces qui les relient, si bien que tout écart par rapport à la théorie fait la une des journaux. Mais comme toutes les cartes, le modèle standard a des limites : il n’inclut pas la gravité et manque actuellement de réponses à des mystères tels que l’identité de la matière noire.

Les physiciens n’ont jamais réussi à faire entrer en collision des muons, principalement parce que les particules ne vivent que 2,2 microsecondes avant de se désintégrer. Si les muons pouvaient être combattus, ils créeraient des collisions à la fois propres et à haute énergie, idéales pour l'exploration au-delà des frontières du modèle standard. Dans les muons, « la nature nous a fait un cadeau ; nous devrions en profiter », soutient Patrick Meade, théoricien à l'Université Stony Brook.

Le sort de tout futur collisionneur repose entre les mains du Groupe de priorisation des projets de physique des particules (P5), un comité de haut niveau qui se réunit chaque décennie pour définir des programmes de recherche et recommander le financement de projets clés. Le rapport P5 devrait paraître cet automne, et de nombreux physiciens espèrent qu'il inclura une forte pression en faveur d'un collisionneur de muons.

Rien ne garantit qu’un futur collisionneur trouvera de nouvelles particules, mais les défenseurs sont enthousiasmés par le potentiel de découverte que recèlent les muons. L’avenir d’un véritable collisionneur de muons opérationnel reste lointain. Même sur la chronologie la plus rapide et la plus optimiste, un collisionneur de muons ne fonctionnerait pas avant au moins deux décennies. Mais les physiciens rêvent déjà de savoir où ils pourront explorer avec les muons. «Nous avons l'opportunité de faire quelque chose d'inédit», déclare Cari Cesarotti, théoricien au Massachusetts Institute of Technology. « Les obstacles qui existaient il y a 10 ans sont en train de disparaître. C'est le moment! Alors pour moi, c'est juste : pourquoi ne voudriez-vous pas le faire ? »

Le problème avec les muons, c'est qu'ils meurent. Au cours de leur courte durée de vie, ils doivent être refroidis, concentrés et accélérés jusqu’à une vitesse proche de celle de la lumière. L’approche la plus viable consiste à faire passer les muons à travers un milieu tel que l’hydrogène liquide, qui sape leur énergie. De puissants aimants peuvent alors concentrer les muons et les accélérer dans une boucle où ils entrent en collision avant de se désintégrer. Des variantes de ce plan existent depuis des décennies : l'un des modèles a été surnommé « le Guggenheim » en raison de sa ressemblance avec le hall en spirale du musée.

Curieux de savoir dans quelle mesure tout cela était réalisable, le ministère de l'Énergie a fondé en 2011 le programme d'accélérateur de muons (MAP), un petit effort de recherche et de développement étudiant la faisabilité des collisions de muons. Une équipe de physiciens des accélérateurs s’est mise au travail pour créer des modèles informatiques de collisionneurs afin de déterminer quelles conceptions pourraient fonctionner le mieux. Mais juste au moment où les efforts démarraient, deux découvertes semblaient sonner le glas de tout collisionneur de muons.