Comment faire un faisceau de muons

Les muons ont un moment. Ce cousin lourd de l’électron a fait la une des journaux en 2021 lorsque les chercheurs ont découvert que les particules se comportaient d’une manière inattendue. Leurs mouvements n’ont pas été prédits par le modèle standard de la physique des particules, notre meilleure théorie sur le fonctionnement du monde subatomique.

La vente à emporter ? Soit le muon est affecté par une nouvelle particule ou force potentielle qui se cache hors de vue, soit nous sommes sur le point d’apprendre quelque chose de nouveau sur l’une des particules ou forces que nous connaissons et aimons déjà.

Seul le temps nous le dira. Les scientifiques de l’expérience Muon g-2, hébergée par le Fermi National Accelerator Laboratory du Département américain de l’énergie, continuent de collecter des données et de s’appuyer sur leurs résultats de 2021.

L’expérience de précision nécessite d’étudier le comportement de milliards de muons. Les particules circulent à travers un anneau de stockage magnétique de 50 pieds de diamètre, fournissant des données sur ce qui se passe aux plus petites échelles. Pour produire la quantité de muons nécessaire, les scientifiques se tournent vers le complexe d’accélérateurs de particules du Laboratoire Fermi.

Pour créer des muons, les opérateurs d’accélérateurs du Laboratoire Fermi envoient des trillions de protons à travers une série de machines sophistiquées, à commencer par l’accélérateur linéaire. Il alimente le Booster, qui accélère les protons de 400 mégaélectronvolts à 8 gigaélectronvolts, proche de la vitesse de la lumière. De là, les protons sont dirigés vers le recycleur, où le faisceau est découpé en groupes expérimentalement utiles appelés paquets.

Environ 10 fois par seconde (en moyenne), les paquets de protons s’écrasent sur une cible en alliage de nickel. La collision crée des particules appelées pions. Au fur et à mesure que les pions voyagent vers le hall d’expérimentation, ils se désintègrent en muons et autres particules subatomiques. Un dernier tour de sélection de particules à l’aide d’aimants prépare le faisceau de muons, qui se déplace le long d’une ligne de transport et dans l’expérience Muon g-2.

Au fur et à mesure que les muons voyagent dans le champ magnétique de l’expérience, ils interagissent avec des particules virtuelles, entrant et sortant du vide pas si vide de l’espace. Étudier le comportement des muons permet aux scientifiques de tester rigoureusement le modèle standard et de voir si les muons interagissent avec quelque chose qu’ils n’avaient pas prévu.

Le premier résultat de Muon g-2 portait sur 8 milliards de muons, soit seulement 6 % du nombre total que l’expérience examinera au Fermilab. Les chercheurs mènent actuellement leur cinquième campagne expérimentale, avec des plans pour changer les polarités de tous les aimants expérimentaux et commencer à collecter des données l’année prochaine en utilisant des muons de charges opposées.

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