Les physiciens des particules veulent construire le premier collisionneur de muons au monde

Les physiciens des particules veulent construire le premier collisionneur de muons au monde


Il existe plusieurs accélérateurs possibles qui pourraient suivre le Large Hadron Collider.Crédit : Denis Balibouse/Reuters/Alamy

Momentum prend de l’ampleur pour construire un collisionneur de particules aux États-Unis qui détruit les muons, cousins ​​​​plus lourds des électrons. Le collisionneur suivrait le prochain grand accélérateur mondial, qui n’a pas encore été construit, et les physiciens espèrent qu’il découvrira de nouvelles particules élémentaires. Bien que la nature éphémère des muons rende un tel collisionneur techniquement difficile à construire, son principal avantage est qu’il serait plus petit et potentiellement moins cher que les modèles de collisionneurs concurrents. La vision reste lointaine, jusqu’aux années 2040 au plus tôt, mais la recherche et le développement doivent commencer maintenant, disent les partisans.

C’est une “vision audacieuse et prometteuse”, déclare Karri Di Petrillo, physicienne des particules au Fermi National Laboratory (Fermilab) à Batavia, Illinois. Les physiciens du monde entier étudient la faisabilité d’un tel collisionneur, mais l’héberger aux États-Unis « changerait la donne pour ma génération de physiciens », dit-il.

Le soutien des physiciens en faveur d’un collisionneur de muons est apparu lors de Snowmass, un exercice de planification majeur de la communauté américaine de la physique des particules qui définit sa vision scientifique environ une fois par décennie. L’exercice s’est terminé par un atelier de dix jours tenu à Seattle, Washington, du 17 au 26 juillet. Les organisateurs vont maintenant distiller les points de vue de milliers de scientifiques dans un rapport qui décrit les principales questions du domaine et ce qui est nécessaire pour les résoudre, influençant finalement le financement fédéral américain. de l’exercice faisait référence aux collisionneurs de muons, et les partisans enthousiastes de la réunion ont vendu des T-shirts approuvant les plans.

usine higgs

La machine à muons suivrait la construction d’une “usine de Higgs”, un grand collisionneur que des collaborations en Europe, en Chine et au Japon sont déjà en train de construire pour étudier en détail la particule élémentaire connue sous le nom de boson de Higgs (voir “Future Colliders”) . ‘). Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, le laboratoire européen de physique des particules près de Genève, en Suisse, a découvert le Higgs, qui est associé au champ qui donne la masse aux particules, en 2012. Mais il n’a pas découvert les autres nouvelles particules que de nombreux physiciens prévu, et certains pensent maintenant qu’il pourrait être hors de portée de la machine.

Une usine de Higgs relierait les électrons à leurs homologues de l’antimatière, les positrons, dans des collisions plus propres que les collisions proton-proton au LHC, permettant des études de précision. En revanche, un collisionneur de muons serait une machine de “découverte”, essayant de trouver de nouvelles particules grâce à des collisions d’une énergie sans précédent et élucidant la cause des divergences trouvées dans les résultats des expériences précédentes.

Futurs collisionneurs : date estimée de mise en service des accélérateurs qui pourraient être construits pour étudier en détail le boson de Higgs.

Les muons peuvent être accélérés à des énergies plus élevées que les électrons car ils perdent moins d’énergie sous forme de rayonnement synchrotron. Et ils ont un énorme avantage sur les collisions de protons. Celles-ci impliquent des collisions entre les quarks constitutifs des particules, dont chacun ne transporte qu’une fraction de l’énergie totale de collision. Parce que les muons sont des particules fondamentales, chaque collision implique toute l’énergie de la particule. Cela signifie qu’un collisionneur de muons de 10 billions d’électron-volts (TeV), d’environ 10 kilomètres de long, pourrait produire des particules qui ont autant d’énergie que celles produites par la machine à protons de 90 kilomètres et de 100 TeV que le CERN cherche à construire .dans la seconde moitié du siècle.

Le concept d’un collisionneur de muons existe depuis les années 1960. Mais ce n’est que ces dernières années que des technologies viables ont été développées qui pourraient être capables de traiter les particularités du muon, y compris le fait qu’il se désintègre facilement, produisant un bruit gênant. arrière-plan, et il est difficile de le convaincre de former un faisceau intense. L’excitation parmi les physiciens américains est maintenant due au fait qu’il y a beaucoup de temps pour développer et construire la machine qui succèdera à une usine Higgs, et beaucoup de gens pour y travailler, explique Priscilla Cushman, physicienne à l’Université du Minnesota à Minneapolis.

Sa construction aux États-Unis dépendra du financement et de la politique, ainsi que de la faisabilité technique, explique Joel Butler, physicien des particules au Fermilab et président du groupe directeur Snowmass. Le CERN organise également une collaboration internationale pour étudier la faisabilité d’un collisionneur de muons. Pour toutes les options de collisionneurs sur la table, les physiciens américains doivent faire suffisamment de recherche et développement “pour que, lorsque des décisions doivent être prises, elles puissent être prises de la bonne manière”, dit-il.

L’enthousiasme pour le collisionneur de muons coïncide avec une attention croissante portée au coût et à la durabilité, explique Caterina Vernieri, physicienne des particules à l’Université de Stanford en Californie, qui fait partie d’un groupe qui a proposé une conception moins chère du collisionneur de muons. comme Cool Copper Collider, dans le cadre du processus Snowmass.

Matière noire

Les collisionneurs lointains n’étaient qu’une petite partie de l’agenda de Snowmass. Parmi leurs plans à plus court terme, les physiciens ont souligné leur engagement en faveur d’une mise à niveau à haute intensité du LHC à partir de 2026 qui produira plus de dix fois les données créées jusque-là. Ils ont également réitéré leur désir d’aller de l’avant avec la construction progressive d’une expérience américaine de 1 300 kilomètres appelée DUNE, qui est conçue pour étudier la nature de particules insaisissables appelées neutrinos. Certains ont plaidé pour le feu vert sur CMB-S4, une enquête de nouvelle génération sur le fond cosmique des micro-ondes.

Un appel qui recoupait les disciplines était de s’assurer qu’il existe un large éventail d’installations pour rechercher la matière noire. L’incapacité à trouver un type de matière noire théoriquement prédit connu sous le nom de particules massives à faible interaction (WIMP) au cours des dix dernières années, que ce soit dans les détecteurs massifs conçus pour les rechercher ou au LHC, signifie que la matière noire doit être encore plus exotique . qu’on ne le pensait.

Les physiciens veulent rechercher des candidats beaucoup plus légers pour la matière noire et recadrer leur recherche pour considérer qu’elle pourrait exister comme une famille entière de particules, plutôt qu’une seule, explique Suchita Kulkarni, physicienne de la matière noire à l’Université de Graz en Autriche, qui assisté à la réunion de Snowmass. Le trouver nécessitera de grandes expériences sensibles, comme celles qui recherchent déjà WIMPS, et beaucoup de plus petites et plus expérimentales, explique Micah Buuck, physicien à l’Université de Stanford.

Recommandations de financement

Le processus Snowmass de deux ans, auquel des physiciens du monde entier ont soumis 521 articles, a été “exténuant mais passionnant”, a déclaré Cushman, membre du groupe de pilotage.

Le moment critique viendra l’année prochaine, lorsque le groupe fédéral américain de priorisation de la physique des particules, connu sous le nom de P5, utilisera les conclusions de Snowmass et des considérations budgétaires pour faire des recommandations d’investissement aux bailleurs de fonds du ministère de l’Énergie et de la National Science Foundation pour le prochain. dix ans. .

Les physiciens travaillent maintenant sur la meilleure façon de communiquer avec les bailleurs de fonds et le public, dit Kulkarni. Au cours de la dernière décennie, ils n’ont pas trouvé ce que beaucoup attendaient : un écart par rapport au modèle standard, leur meilleure description de la physique des particules qu’ils savent incomplète. “La communauté s’efforce d’établir un récit cohérent et honnête”, déclare Kulkarni. « Nous faisons de notre mieux et nous en tirerons des leçons. Mais les découvertes sont des amants inconstants, et vous ne savez jamais quand vous allez les avoir.”

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