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Pour découvrir de nouvelles particules et percer les mystères de la matière, on a besoin d’accélérateurs toujours plus immenses. Sauf si l’on parvient à dompter les « muons »… Tout un défi !
En physique, pour sonder la matière aux plus petites échelles, on n’y va pas par quatre chemins : après avoir accéléré des particules à des vitesses extrêmes, on les fait entrer brutalement en collision. La violence du choc brise les minuscules entités, qui n’éclatent pas en « miettes », mais qui se transforment plutôt en d’autres sortes de particules, ce qui révèle parfois des espèces encore inconnues. Ces nouvelles particules s’éparpillent alors dans tous les sens et sont interceptées par des détecteurs. C’est le principe des accélérateurs – ou collisionneurs – de particules, dont le plus fier représentant est sûrement le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, en Suisse. Cet immense anneau de 27 km de circonférence, le dispositif expérimental le plus grand et le plus complexe jamais construit, est célèbre pour avoir permis de découvrir le boson de Higgs en 2012.
Depuis près d’un siècle, la stratégie reste la même : on bâtit des collisionneurs toujours plus grands pour atteindre des énergies toujours plus élevées. Car plus les particules s’entrechoquent violemment, plus on peut voir des détails fins et découvrir des particules autrement invisibles. Or, puisque le LHC atteindra sa fin de vie d’ici 2041, la communauté de la physique des particules prépare activement sa succession. Il faut impérativement continuer à monter en puissance, si on veut découvrir des indices de « la nouvelle physique », soit des particules exotiques qui pourraient expliquer certains mystères de l’Univers, comme la nature de la matière noire. Aussi puissant soit-il, le LHC n’a pour l’instant rien révélé de tel…
Pour monter au cran supérieur, le plan de match est déjà établi. Le successeur du LHC, le Futur collisionneur circulaire (FCC), atteindra 90,7 km de circonférence, avec une première version (FCC-ee) prévue pour 2045 et une version encore plus puissante (FCC-hh) après 2075. Mais, pour les scientifiques avides de découvertes, cette échéance est bien trop longue. Certains plaident donc pour la construction d’une machine d’un nouveau genre : un collisionneur de muons. En accélérant ces cousins des électrons, très massifs, plutôt que les protons ou les électrons utilisés actuellement, on pourrait atteindre des énergies colossales avec des machines plus petites et moins chères. Et donc accéder plus vite aux découvertes !
Mais il y a un hic. « C’est un rêve un peu fou, parce qu’une telle machine n’a encore jamais été développée », confie Bruno Mansoulié, physicien au CEA-Irfu, à Saclay, en France. Il n’empêche, une collaboration internationale a été mise sur pied pour travailler sur le concept. Objectif : construire rapidement un prototype au CERN pour peut-être, d’ici 2045, bâtir un accélérateur de muons entièrement fonctionnel. Imaginez plutôt : un collisionneur de muons de seulement 30 km de circonférence pourrait explorer la même gamme d’énergie que le FCC-hh, trois fois plus long !
Un collisionneur de muons permettrait d’atteindre des énergies dix fois plus grandes que celles atteintes par le Grand collisionneur de hadrons du CERN, en photo ici, pour une taille équivalente. Photo: CERN
Des accélérateurs limités
Pour comprendre l’intérêt des muons, il faut savoir que les accélérateurs « classiques », aussi efficaces soient-ils, ont leurs limites. Jusqu’ici, seuls deux types de particules ont été accélérées dans les collisionneurs existants : les protons et les électrons (et leurs antiparticules, soit les antiprotons et les positrons). Le FCC-hh accélérera des protons (comme le LHC), particules composites formées de quarks et de gluons. Le FCC-ee, lui, utilisera des électrons et des positrons, particules élémentaires jumelles portant des charges électriques opposées.
Mais voilà, ces « bestioles » ne sont pas les candidates idéales. Dans un accélérateur circulaire, électrons et positrons perdent de l’énergie en émettant un rayonnement, appelé rayonnement synchrotron. « Ça les freine au point qu’ils peuvent quitter l’anneau », rapporte Bruno Mansoulié. Pour compenser, des cavités accélératrices réinjectent de l’énergie aux particules. « Sauf qu’à un moment donné, on ne peut plus en mettre… » Or, rappelez-vous, plus on veut de détails, plus il faut que les particules se fracassent les unes contre les autres avec énergie.
Quant aux protons, 1800 fois plus massifs que les électrons, ils émettent peu de rayonnement synchrotron. « On peut donc les accélérer à des énergies bien plus élevées », poursuit le physicien. Au LHC, les protons atteignent une vitesse proche de celle de la lumière, effectuant jusqu’à 11 000 tours de piste par seconde, avant d’entrer en collision contre le faisceau opposé ! Cependant, ce sont en fait les quarks et les gluons constitutifs de ces protons qui s’écrasent les uns contre les autres. Or, les quarks et les gluons ne portent qu’une fraction de l’énergie totale du proton… « L’énergie des collisions est donc beaucoup plus faible que l’énergie atteinte par les protons », indique le chercheur.
Le meilleur des deux mondes
Le FCC souffrira des mêmes limitations. Comme, en plus, il ne fonctionnera pas à plein régime avant minimum 50 ans, c’est là que le collisionneur de muons entre en jeu. Car le muon combine le meilleur des électrons et des protons : c’est une particule élémentaire, donc toute l’énergie qui lui est imprimée est utilisée lors de la collision, comme l’électron ; mais elle est très massive et ainsi ne perd que peu d’énergie par rayonnement synchrotron, comme le proton. C’est simple : un collisionneur de muons offrirait des collisions « propres », comme les électrons, et à très haute énergie. Le rêve !
Le muon est une particule cousine de l’électron. Ce qui les distingue, ce sont leurs masses : le premier est environ 200 fois plus massif que le second. Alors, pourquoi ne pas simplement lancer des muons dans l’anneau du LHC ? « Malheureusement, ce n’est pas si simple », répond Bruno Mansoulié avec un sourire.
Le muon a un terrible défaut : il est très instable. Sa durée de vie n’est que de 2,2 millionièmes de seconde ! Après quoi, il se transforme en d’autres particules. Tout le processus de production, d’accélération et de collision des muons doit donc impérativement se faire avant qu’ils ne se désintègrent. « Cette contrainte de durée de vie entraîne toute la difficulté à construire un collisionneur de muons : il faut les créer et les utiliser aussitôt, explique Daniel Schulte, physicien au CERN et directeur d’étude de la collaboration internationale pour le collisionneur à muons. Pour le moment, personne n’a jamais fait ça. »
Un nuage de muons
Pour l’heure, l’architecture à l’étude pour un collisionneur de muons se divise en une succession de cinq étapes… Un vrai parcours du combattant ! La première consiste à fabriquer ces muons, puisqu’ils ne se promènent pas dans la nature. Et on sait déjà le faire : il faut accélérer des protons à grande vitesse dans un accélérateur linéaire de près de 1 km de long. Ils passent ensuite à travers un accumulateur et un compresseur, qui ordonnent les particules en un faisceau qui vient se fracasser sur une cible, une tige de graphite. Cette collision génère alors un autre type de particules, des pions.
Commence la deuxième étape : la capture de ces pions, à l’aide d’un énorme aimant en forme de ressort, appelé solénoïde, qui génère un puissant champ magnétique. Rapidement, les pions qui spiralent le long du solénoïde se désintègrent en d’autres particules, dont les tant attendus muons. « Le problème est que ça ne produit pas un faisceau étroit de muons comme ce qu’on souhaiterait utiliser dans le collisionneur, mais plutôt un gros nuage désordonné, indique Daniel Schulte. La partie la plus critique du développement d’un collisionneur à muons consiste donc à transformer ce nuage en un faisceau, et ce, avant que les particules ne se désintègrent. »
Pour y parvenir, il faut « refroidir » les muons. C’est la troisième partie, la plus difficile, et sa faisabilité n’a encore jamais été démontrée.
Le Modèle standard mis à l’épreuve
Le rôle des collisionneurs est simple : décortiquer la matière pour permettre de « visualiser » les particules élémentaires. En effet, selon le Modèle standard, cette théorie physique qui décrit les particules élémentaires et leurs interactions, la matière est constituée d’un jeu de 12 particules qui interagissent par l’entremise de forces. Mais la plupart de ces particules se désintègrent aussitôt créées. Pour les observer, il faut donc les « fabriquer », en lançant l’un contre l’autre des faisceaux de protons plus fins qu’un cheveu à une vitesse proche de celle de la lumière. En se percutant, ceux-ci libèrent une énergie phénoménale. Or, selon la célèbre formule d’Albert Einstein E = mc2, l’énergie peut se transformer en masse et inversement. Des particules éphémères, bien plus massives que les protons, peuvent donc naître lors de la collision.
Au CERN, de 1989 à 2000, le prédécesseur du LHC a ainsi permis de montrer l’existence des bosons Z et W. Le LHC, quant à lui, poursuit son exploration du boson de Higgs… et tente activement de mettre en évidence des particules encore inconnues.
Car le Modèle standard souffre de défauts majeurs : il ne prend pas en compte la force de gravitation (elle est exclue des équations) et il ne permet pas d’expliquer toutes les observations. On avait espoir que le LHC vérifierait notamment l’existence d’une théorie appelée supersymétrie, qui « équilibrerait » le modèle en postulant l’existence d’un partenaire à chacune des particules connues. Ces particules pourraient expliquer la matière noire, mais, jusqu’ici, aucune n’a montré le bout de son nez. D’où l’impatience de la communauté scientifique de « jouer » avec des collisionneurs encore plus puissants ! — M. C.
Sculpter le faisceau
Mais on a une idée de la marche à suivre – en théorie. Il faut d’abord ralentir les muons (dans de l’hydrogène liquide), puis les réaccélérer, avec d’énormes aimants, puis répéter le processus… En fin de compte, puisque les muons seront accélérés, leur durée de vie aura augmenté. En effet, lorsqu’une particule est accélérée à des vitesses proches de celle de la lumière, elle est sujette à un phénomène de « dilatation du temps » (n’est-ce pas, Einstein ?), où elle voit le temps s’écouler plus lentement. La durée de vie du muon passerait alors d’un maigre 2,2 µs à environ 150 ms – près de 70 000 fois plus. Ce qui reste furtif…
L’expérience MICE (Muon Ionization Cooling Experiment), au Royaume-Uni, a montré que cette méthode pour obtenir un faisceau était prometteuse. « Mais elle ne l’a fait que pour quelques muons, souligne Daniel Schulte. C’est pourquoi notre projet est de construire un modèle de démonstration grandeur nature, probablement au CERN, qui testera la technique à l’échelle attendue pour le collisionneur. »
Finalement, une fois les faisceaux de muons créés, il faut les accélérer – encore ! – avant qu’ils entrent en collision. On utilise pour ça des accélérateurs linéaires munis d’anneaux aux extrémités, « qui permettent aux muons de retourner dans l’accélérateur, décrit Antoine Chancé, physicien au CEA-Paris Saclay. Ainsi, il est possible de les accélérer plusieurs fois de suite. »
Pour l’accélération finale, qui doit se faire en quelques millisecondes – contre 20 minutes au LHC –, on utilise une série de 3 ou 4 autres accélérateurs circulaires. Vous saisissez l’ampleur du défi ?
Depuis 2022, le CERN mène une étude de faisabilité (conditions géologiques, forages exploratoires, etc.) en vue de l’éventuelle construction du FCC, un tunnel de 91 km de circonférence, situé en moyenne à 200 mètres de profondeur. Image: CERN
Gérer les particules indésirables
Reste enfin à gérer les effets indésirables. Les muons étant instables, une partie du faisceau se désintègre en cours de route en neutrinos et en électrons. Les neutrinos peuvent s’échapper et produire des rayonnements ionisants au contact de la roche terrestre, et cela constituerait un risque pour les populations riveraines. « Pour limiter ce phénomène, le collisionneur est conçu pour être le plus circulaire possible, ce qui évite l’accumulation de neutrinos, précise Antoine Chancé. Une autre solution consiste à faire osciller lentement la position de certains aimants pour modifier l’angle d’émission. »
Les électrons, eux, interagissent fortement avec la matière. En se promenant dans le collisionneur, ils activent les détecteurs, ce qui induit un bruit de fond dans les relevés. « Heureusement, on a montré que cette pollution des détecteurs ne nous empêchera pas de faire des expériences ! » dit avec enthousiasme Maximilian Swiatlowski, physicien à TRIUMF, le centre national des accélérateurs de particules du Canada situé à Vancouver, et membre de la collaboration internationale. Plusieurs solutions permettent de limiter les dégâts de ces particules parasites. Un énorme blindage en tungstène absorbera une bonne partie du bruit de fond, et plusieurs techniques, dont l’intelligence artificielle, pourront « nettoyer » le signal des détecteurs.
« La conception d’un collisionneur à muons est certes très, très difficile, mais je pense que si, d’ici dix ans, on arrive à démontrer qu’on sait faire les faisceaux grâce au refroidissement, alors tout le reste va suivre », prévoit Bruno Mansoulié. « Je pense qu’on a tout à gagner à explorer plusieurs options, ajoute Maximilian Swiatlowski. Construire le modèle de démonstration n’est pas si coûteux et, s’il fonctionne, alors un collisionneur à muons offrirait une solution précieuse pour l’avenir de la physique. »
