Le panel « P5 » de physiciens des particules américains affirme que les travaux sur le développement d'un futur collisionneur de muons pourraient permettre aux États-Unis de regagner la « frontière énergétique », comme l'explique le groupe. Michael Allen révèle
Les États-Unis devraient envisager de construire un collisionneur de muons et poursuivre une recherche et un développement « agressifs » sur les technologies requises pour une telle installation. C'est la conclusion d'un comité de haut niveau composé de physiciens des particules américains et internationaux. après une année de réunions pour discuter de l'avenir de la recherche américaine en physique des hautes énergies. Les scientifiques reconnaissent cependant que des défis techniques importants devront être surmontés pour construire un collisionneur de muons.
Le développement potentiel d’une installation à muons fait partie d’une vision à long terme sur 20 ans pour la physique des particules, publiée début décembre par le Particle Physics Project Prioritization Panel, ou P5 (voir encadré ci-dessous). Depuis 2003, le P5 se réunit tous les dix ans pour évaluer les projets de recherche en physique de grande et moyenne taille. Il transmet ensuite ses recommandations aux agences de financement telles que le Département américain de l'Énergie (DOE) et la National Science Foundation.
Suite à la découverte du boson de Higgs en 2012 au CERN Grand collisionneur de hadrons, les physiciens des particules ont commencé à planifier la construction d'une usine dite de Higgs qui ferait entrer en collision des électrons avec des positons afin de permettre une étude plus détaillée des propriétés du boson de Higgs et d'autres particules. Certaines de ces conceptions appellent à un tunnel de 90 km de long qui entrerait d'abord en collision entre des électrons et des positrons au milieu des années 2040 avant d'être reconverti plus tard ce siècle en tant que machine proton-proton de 100 TeV pour rechercher une nouvelle physique.
Pourtant, passer à ces énergies – et potentiellement même à des énergies plus élevées – est compliqué. À des énergies proches de 1 TeV dans un accélérateur circulaire, les électrons perdent beaucoup d’énergie par rayonnement synchrotron. Cela ne pose pas de problème pour les protons, mais atteindre des énergies supérieures à 100 TeV nécessite un anneau encore plus grand que 90 km et nécessiterait probablement aussi de nouvelles technologies. Une alternative consiste à entrer en collision avec des muons, cousins des électrons 200 fois plus lourds. Étant donné que les muons sont beaucoup plus lourds que les électrons, la perte d’énergie poserait moins de problèmes dans un collisionneur de muons.
Daniel Schulte, responsable de l'étude du Collaboration internationale sur les collisionneurs de muons, qui ne faisait pas partie du comité P5, affirme que le rayonnement synchrotron est « réduit d’un facteur de plus d’un milliard » dans un collisionneur de muons. "[Les muons] sont intéressants car ils pourraient remplacer [les électrons et les positons] directement et avoir un collisionneur de muons de 10 TeV équivaut à peu près à avoir un collisionneur de protons de 100 TeV en termes de portée physique", explique Schulte dont la collaboration comprend plus de 60 instituts. , dont le CERN, qui élaborent un projet d'installation avancée pour les muons. Toute future installation à muons pourrait potentiellement être beaucoup plus compacte et peut-être moins chère à construire – un collisionneur de muons ayant la même portée qu'un collisionneur de protons de 100 TeV pourrait s'adapter sur le site existant du Laboratoire Fermi, par exemple.
Des physiciens du CERN se réunissent à Londres pour élaborer les plans du futur collisionneur
En le qualifiant de « notre tir de muons », le comité P5 déclare qu'un programme d'accélérateur de muons cadrerait avec l'ambition des États-Unis d'héberger une installation majeure de collisionneur international, leur permettant de diriger les efforts mondiaux visant à comprendre la nature fondamentale de l'univers. Le groupe P5 recommande désormais que les États-Unis construisent d’importantes installations de test et de démonstration pour un collisionneur aussi avancé au cours de la prochaine décennie. Le rapport recommande également que les États-Unis participent à la collaboration internationale sur les collisionneurs de muons et « jouent un rôle de premier plan dans la définition d’une conception de référence ».
Karsten Heeger, un physicien de l'Université de Yale qui co-préside le P5, a déclaré Monde de la physique que la recommandation du collisionneur de muons provenait d'un désir de réfléchir à l'avenir à long terme de la physique des particules aux États-Unis, au-delà de la récolte actuelle de projets planifiés et en développement. Selon Heeger, cette recommandation en matière de recherche et développement a suscité « beaucoup d’enthousiasme » au sein de la communauté américaine de la physique des particules, en particulier parmi les jeunes scientifiques. "Ils pensent que pouvoir poursuivre la R&D pour réfléchir à une future installation de collisionneur est vraiment passionnant, surtout si nous pouvons l'héberger aux États-Unis", ajoute-t-il.
Défis à relever
Un collisionneur de muons est toutefois confronté à des défis techniques majeurs et il faudra des décennies avant qu'une décision d'en construire un puisse être prise. L’un des problèmes des muons est qu’ils se désintègrent en à peine 2.2 microsecondes, période pendant laquelle ils devraient être capturés, refroidis et accélérés. «Cela repousse vraiment les frontières techniques dans tous les éléments», déclare Heeger. « Le développement des aimants, la technologie d'accélération, la focalisation du faisceau ; toutes ces choses vont être d’une importance cruciale, et elles doivent être améliorées par rapport à la situation actuelle », ajoute-t-il.
Schulte convient que sans la durée de vie limitée du muon, un collisionneur de muons serait « simple ». Selon lui, l'un des plus grands défis sera de développer la technologie magnétique requise. Par exemple, une fois que les muons auront été produits par des collisions de protons, des aimants supraconducteurs à haute température seront nécessaires pour les refroidir et les ralentir. Et cette technologie devra être regroupée dans un espace minuscule pour réduire la perte de muons. Des aimants à grande vitesse pouvant être cyclés très rapidement seront alors nécessaires pour accélérer le faisceau de muons.
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Le problème est qu’une grande partie de cette technologie n’existe pas encore ou en est à ses balbutiements. Malgré ces défis, Heeger est convaincu qu’un collisionneur de muons pourrait être construit : « Les physiciens des particules et les physiciens des accélérateurs ont fait preuve d’une ingéniosité incroyable au cours des dernières années et décennies, et je suis donc optimiste », dit-il. Mais même si une telle installation n’est pas réalisable, y travailler permettrait de s’appuyer sur les atouts actuels des États-Unis en physique des particules et de contribuer à l’amélioration des installations de faisceaux de protons et de neutrinos. Cela aurait également probablement de nombreux avantages pour la société, notamment la production d’isotopes médicaux, la science des matériaux et la physique nucléaire. Heeger estime donc qu’il s’agirait d’un « investissement bien dépensé ».
Le développement d’aimants supraconducteurs à haute température, par exemple, aurait des implications importantes au-delà de la physique des particules. Ils pourraient être utiles pour les réacteurs à fusion nucléaire et améliorer les performances des éoliennes. Schulte estime également que les travaux sur un collisionneur de muons offriront des avantages substantiels en matière de formation de la prochaine génération de scientifiques. "C'est un grand projet parce que les choses sont nouvelles, il y a de la place pour les inventions, pour la créativité, l'esprit est très différent d'un projet qui consiste à refaire quelque chose que nous avons fait dans le passé de manière plus grande", ajoute-t-il.
Tracer l’avenir de la physique des particules aux États-Unis
Le rapport du P5 – Voies vers l'innovation et la découverte en physique des particules – s’appuie sur les résultats d’une conférence Snowmass, qui a réuni des physiciens des particules et des cosmologistes du monde entier à Seattle pendant 10 jours en juillet 2022 pour discuter des priorités de recherche et des expériences futures. Le rapport P5 vise à créer un portefeuille de recherche qui étudie presque tous les constituants fondamentaux de l'univers et leurs interactions, couvrant à la fois le passé et le futur cosmiques.
En ce qui concerne les projets existants, la priorité absolue du comité P5 est l'achèvement de la mise à niveau à haute luminosité du Grand collisionneur de hadrons du CERN ainsi que la première phase du Expérience souterraine profonde sur les neutrinos (DUNE) à Lead, dans le Dakota du Sud, qui étudiera un faisceau de neutrinos à haute énergie produit au Laboratoire Fermi alors qu'ils parcourent 1280 2030 km à travers la Terre. DUNE devrait commencer à fonctionner vers 2025. Parmi les autres priorités recommandées figurent le Plan d'amélioration des protons II du Laboratoire Fermi et l'Observatoire Vera Rubin au Chili, qui attend la première lumière en 10 et mènera une étude du ciel austral sur XNUMX ans.
D'autres recommandations incluent le CMB-S4 expérience – un ensemble de télescopes au sol, situés au pôle Sud et dans le désert chilien d'Atacama, qui observeraient le fond diffus cosmologique pour sonder les processus physiques dans l'univers immédiatement après le Big Bang. Le P5 recommande également que les États-Unis collaborent avec des partenaires internationaux sur une usine à Higgs ; une expérience de détection directe de matière noire de nouvelle génération ; et l'observatoire IceCube-Gen2, qui offrira une sensibilité 10 fois supérieure aux neutrinos cosmiques par rapport à l'actuel observatoire IceCube au pôle Sud.
«Nous avons essayé de trouver un équilibre entre la gestion du programme actuel, le lancement de nouveaux projets et la préparation du terrain en termes de R&D pour l'avenir», explique Karsten Heeger, coprésident du P5. Il ajoute qu'il était important de réfléchir à ce qui suivrait des projets tels que l'usine Higgs et l'achèvement de DUNE pour la physique des particules ainsi que pour la prochaine génération de scientifiques aux États-Unis. « Si nous nous concentrons dès maintenant uniquement sur l’exécution des projets en cours, nous pourrions nous retrouver dans 10 à 15 ans sans avoir posé les bases de ce qui va suivre », dit-il.
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- La source: https://physicsworld.com/a/influential-us-particle-physics-panel-calls-for-muon-collider-development/
