MICE va être construit au « Rutherford Appleton Laboratory »

Depuis trois décennies, les physiciens ont recours au modèle standard pour expliquer les forces et les particules fondamentales de la nature. Ce modèle est fondé sur le fait que les unités élémentaires de la matière sont divisées en trois générations de deux types de particules : les quarks et les leptons. Ces deux types de particules constituent avec les bosons de jauge, qui véhiculent les interactions entre les leptons, les éléments ultimes qui permettent de décrire noyaux, atomes et molécules. Les leptons sont des fermions (c’est-à-dire des particules dont le spin est demi-entier) sensibles aux interactions faibles et gravitationnelles et insensibles aux interactions fortes. A la différence des quarks, ces particules existent à l’état libre. Leur famille comprend trois particules chargées (l’électron e-, le muon μ et le lepton lourd τ ou tauon) associées chacune à une particule neutre, les neutrinos υe, υμ et υτ. Le modèle standard prédit que la masse des neutrinos est nulle mais cette hypothèse a été contredite par des résultats expérimentaux, comme ceux obtenus par les chercheurs de l’Observatoire de Neutrinos de Sudbury (ONS ou SNO pour « Sudbury Neutrino Observatory », Ontario, Canada, cf. Actualités Scientifiques au Royaume-Uni, septembre 2003, p. 19). Ce type d’expérience a montré que les neutrinos électroniques produits par le soleil étaient capables de se transformer spontanément en neutrinos muoniques ou tauiques. Mais cet effet, appelé oscillation des neutrinos, n’est possible que si les neutrinos présentent une masse non nulle. En conséquence, il semblerait bien que le modèle standard soit erroné ou incomplet.

Afin de progresser dans la connaissance des neutrinos, les physiciens souhaiteraient disposer de faisceaux intenses de neutrinos dont les caractéristiques seraient bien connues. Une méthode possible pour obtenir de tels faisceaux serait de stocker des muons dans un anneau de désintégration prolongé de longues sections droites pointant vers de grands détecteurs situés à des centaines voire des milliers de kilomètres de distance (a priori au Japon, aux Etats-Unis et en Italie). En effet, en se désintégrant les muons produisent des neutrinos (et des positrons). Il s’agit du concept de l’Usine à Neutrinos. Mais il s’agit de relever des défis techniques sérieux avant que cette usine ne devienne une réalité. Le projet MICE (pour « Muon Ionisation Cooling Experiment ») s’attelle à l’un de ces défis : le « refroidissement par ionisation » des muons. Le refroidissement par ionisation est la seule technique capable de « refroidir » suffisamment rapidement les muons avant leur désintégration. La notion de refroidissement se rapporte au fait qu’un nuage de muons ayant des énergies et des directions différentes se rapproche d’un gaz « chaud » ; en revanche, quand tous les muons ont la même énergie et se déplacent dans la même direction, ils se comportent comme un gaz « froid ». Dans le refroidissement par ionisation, l’énergie du muon est réduite lors du passage à travers la matière (probablement de l’hydrogène liquide) et une des composantes de son énergie est ensuite restaurée par accélération par des champs électriques radiofréquence (RF). Les scientifiques ne doutent pas que cette méthode fonctionne mais, pour être efficace, elle nécessite la connaissance détaillée du comportement des muons dans de nombreux matériaux, par exemple dans les vitres du récipient contenant l’hydrogène liquide. Les objectifs de MICE sont doubles :

• démontrer qu’il est possible de concevoir et de construire une section d’un dispositif de refroidissement des muons capable d’atteindre les performances désirées pour une usine à neutrinos ;

• placer ce dispositif dans un faisceau de muons et mesurer ses performances pour différents modes opératoires et conditions de faisceau et ainsi étudier les limites et la faisabilité du refroidissement.

Le 21 mars 2005, le ministre de la recherche et de l’innovation britannique, Lord Sainsbury, a annoncé que MICE sera construit sur le site de la source de neutrons ISIS du « Rutherford Appleton Laboratory ». (RAL). En outre, un financement de 9,7 millions de livres (environ 14,1 millions d’euros) sera attribué à l’expérience : 7,5 millions de livres proviennent du « Large Facilities Capital Fund » (LFCF) du ministère du commerce et de l’industrie (le DTI), 1,28 millions de livres seront apportés par le conseil de recherche PPARC et 0,92 millions de livres par le conseil de recherche CCLRC.

Environ 150 chercheurs, originaires de Belgique, de France, d’Italie, des Pays Bas, du Japon, de Russie, de Suisse, des États-Unis et bien évidemment du Royaume-Uni travailleront sur l’expérience. MICE sera attaché à l’installation ISIS et le Royaume-Uni retiendra les propriétés intellectuelle et technique de la plupart des systèmes clés. Par ailleurs, des scientifiques britanniques occuperont des positions de leader sur plusieurs parties du projet. En particulier, leurs contributions toucheront à la conception du faisceau de muons pour MICE, aux solénoïdes supraconducteurs et aux deux détecteurs à fibres scintillantes.

Le projet MICE comprend deux étapes :

• la phase 1 à laquelle a trait l’annonce faite par Lord Sainsbury. Durant cette phase devraient avoir lieu l’installation et la mise en service sur ISIS du faisceau de muons pour MICE ainsi que la construction, l’installation et la mise en service du système de détection nécessaire aux premières mesures de l’expérience ;

• la phase 2 qui concerne la recherche de fonds additionnels, britanniques et internationaux, pour compléter le projet, une fois que la phase 1 sera en cours. Au Royaume-Uni, des demandes de financement pourront être soumises aux conseils de recherche PPARC et CCLRC. Elles seront évaluées par des pairs et entreront en concurrence avec d’autres propositions.

Le DTI rappelle d’ailleurs que si la phase 1 constitue le premier jalon de l’expérience, elle peut également être considérée comme un projet à part entière puisqu’elle devrait fournir des résultats techniques et scientifiques de valeur. Comme on peut s’y attendre, les diverses réactions à cette annonce ont été très positives. Le professeur Ian Halliday, directeur général du PPARC, a déclaré que le choix de l’installation de « MICE au Royaume-Uni était une reconnaissance claire de l’expertise et de l’infrastructure déjà en place et [que] cet investissement positif va placer le Royaume-Uni dans un rôle majeur pour le développement et le possible accueil à l’avenir de l’Usine à Neutrinos ». Les professeurs John Wood, directeur général du RAL, et Ken Long (Imperial College), porte parole britannique pour MICE, se sont également félicités du choix d’ISIS.

Processus de création d’un muon sur ISIS

Source : ISIS

Pourquoi installer MICE sur ISIS ?

La source de neutrons ISIS est entrée en service en 1985. Il s’agit en fait d’un accélérateur de particules qui projette un faisceau de protons de haute énergie sur une cible afin de produire des neutrons. ISIS est principalement utilisée pour les neutrons mais une petite partie de l’expérience est consacrée aux muons qui peuvent aussi être créés sur la machine. En effet, avant d’atteindre la zone de production des neutrons, le faisceau de protons traverse une feuille mince de graphite. Une petite fraction des protons entre en collision avec un proton ou un neutron d’un atome de carbone pour donner un pion. Ces pions se désintègrent rapidement, leur demi-vie est de 26 nanosecondes, en produisant des muons (et des neutrinos). Les muons actuellement créés sur ISIS sont ensuite dirigés vers trois spectromètres.

Sources : Government News Network, 21/03/05, www.gnn.gov.uk ; PPARC, 21/03/05, www.pparc.ac.uk/Nw/mice.asp ; CCLRC, 21/03/05, www.cclrc.ac.uk ; MICE UK webpage, hepunx.rl.ac.uk/uknf/miceuk/ ; ISIS Pulsed Muon Facility, www.isis.rl.ac.uk/muons/index.htm

Auteur : Dr Anne Prost