Le fait que nous soyons là tout court est l’une des plus grandes énigmes de la physique. Nous sommes faits de particules normales comme les électrons, mais chaque particule de ce type a également un compagnon antimatière qui est pratiquement identique à lui-même, mais avec la charge opposée. Lorsque la matière et l’antimatière entrent en contact, elles s’annihilent mutuellement dans un flash de lumière.
La physique suggère que la matière et l’antimatière ont été créées en quantités presque égales lors du Big Bang. Alors comment se fait-il qu’il ne reste presque que de la matière aujourd’hui – pourquoi la matière et l’antimatière ne se sont-elles pas annihilées mutuellement pour rendre l’univers sans vie ? Nos nouvelles recherches ont permis aux scientifiques de construire un nouveau type d’accélérateur, basé sur des particules appelées muons, qui pourrait nous aider à le découvrir.
Un muon est presque identique à un électron, sauf qu’il est 207 fois plus lourd. De plus, il se désintègre en d’autres particules en deux millionièmes de seconde. Cette durée de vie, bien que courte pour nous, est assez longue pour une particule fondamentale instable, et cela explique pourquoi les muons constituent presque tous les rayons cosmiques chargés qui atteignent la surface de la Terre.
Une grande partie de notre capacité à étudier la structure de la matière aux distances les plus courtes dépend de la création de faisceaux de particules et de leur accélération à des énergies élevées. Cependant il n’y a que quatre particules stables qui peuvent être utilisées de cette façon, l’électron et son antiparticule (positron), et le proton et son antiparticule (antiproton).
Les faisceaux de particules constitués de ces derniers ont été utilisés pendant de nombreuses années, pourtant ces deux paires ont des inconvénients. L’électron et son partenaire sont très légers – lorsque nous essayons de les accélérer, ils rayonnent de l’énergie électromagnétique. Cela peut être utile pour des applications telles que la télévision, mais il est difficile d’atteindre le type d’énergies dont nous avons besoin pour améliorer notre compréhension de l’univers.
Contrairement aux électrons, le proton et l’anti-proton sont constitués de particules plus fondamentales – quarks et gluons. Lors d’une collision entre un proton et un anti-proton, ce sont ces particules fondamentales qui entrent réellement en collision, ce qui entraîne un crash de moindre énergie que celui que vous auriez obtenu si les protons avaient été des particules vraiment fondamentales.
Les muons sont suffisamment lourds pour qu’ils rayonnent beaucoup moins d’énergie,mais fondamentaux (non constitués de particules plus petites) pour que toute leur énergie soit disponible pour l’enquête. Lorsque les scientifiques ont créé la particule de Higgs, lauréate du prix Nobel, avec des protons, ils ont eu besoin d’une machine de 10 km de diamètre : le Grand collisionneur de hadrons. Une machine à muons, cependant, pourrait y parvenir avec une circonférence de seulement 200 mètres.
L’inconvénient des muons est que, contrairement aux électrons et aux protons, ils sont instables et doivent être produits puis rapidement utilisés avant de se désintégrer tous. Nous pouvons produire des muons en prenant un faisceau étroit et de haute intensité de protons et en le dirigeant vers une cible faite d’un métal, comme le titane. Cela produit un faisceau d’une autre particule fondamentale appelée le pion.
Les pions forment un faisceau qui se déploie en éventail. Si le faisceau de protons d’origine ressemble à un pointeur laser, le faisceau de pions ressemble plus à un faisceau de torche – l’intensité diminuant rapidement avec la distance. Les pions se désintègrent ensuite pour produire les muons, ce qui signifie que le faisceau s’étend encore plus – ressemblant à une ampoule électrique.
Nous ne pouvons pas accélérer un tel faisceau dans une machine comme le LHC, nous devons donc créer un faisceau qui s’étale beaucoup moins. C’est un défi étant donné que nous n’avons que deux millionièmes de seconde pour le produire, l’accélérer et le faire entrer en collision.
Mais notre équipe de physiciens et d’ingénieurs, venus du monde entier – connue sous le nom de Muon Ionisation Cooling Experiment (MICE) – a maintenant montré que c’était possible. Nous avons utilisé un processus connu sous le nom de refroidissement pour aider à comprimer le faisceau. Il s’agit de faire passer les muons dans un récipient contenant de l’hydrogène liquide à -250°C, ce qui ralentit les particules. Nous les avons ensuite fait passer dans une cavité électromagnétique, ce qui a provoqué l’accélération du faisceau dans la direction voulue.
En répétant cela plusieurs fois, il est possible de créer un faisceau qui s’étale beaucoup moins et qui a un noyau dense. Ce faisceau peut être injecté dans un accélérateur de particules pour produire un faisceau de muons à haute énergie. Un tel faisceau peut être soit mis en collision, soit laissé en circulation jusqu’à ce que les muons se désintègrent en un faisceau intense de neutrinos – bien supérieur à tout faisceau de neutrinos pouvant être produit actuellement.
Probation de l’univers
En fait, un faisceau de neutrinos créé à partir de muons fait partie d’un projet de Neutrino Factory, qui permettrait de répondre à de nombreuses questions liées à l’origine et à l’évolution de l’univers – comme le mystérieux déséquilibre entre matière et antimatière.
Les neutrinos pourraient également nous aider à comprendre les détails de la façon dont les éléments essentiels à la vie tels que l’oxygène, le carbone et le silicium, qui sont formés dans les étoiles, se sont répandus dans l’univers. Ces éléments plus lourds n’ont pas été produits lors du Big Bang et sont pourtant responsables de la planète sur laquelle nous vivons et de toute la vie qui nous entoure. Nous savons que les rafales de neutrinos, qui sont libérées lors des explosions d’étoiles (supernovas), en sont responsables.
Nous pourrions également faire entrer en collision deux faisceaux de muons de la même manière que nous faisons entrer en collision des protons au LHC. Les muons, plus simples que les protons, permettraient de déterminer plus précisément les propriétés de la particule de Higgs, par exemple.
Les propriétés du muon en font également un outil précieux dans le domaine de la physique des matériaux. La possibilité de créer des faisceaux plus étroitement focalisés pourrait améliorer les mesures actuelles et ouvrir de nouvelles méthodes de diagnostic.
Notre méthode peut également être utilisée pour aider à augmenter l’intensité de tout autre faisceau de particules chargées. Ce fut un long projet de plus d’une douzaine d’années, mais il en valait la peine quand on considère quel outil puissant nous avons créé.