${\mu}$LHC: Antimuon Ring and HL-LHC based ${\mu}^+p$ Collider

Cet article présente la conception conceptuelle et l'évaluation des performances du $\mu$LHC, un collisionneur antimuon-proton réalisable sur la base du HL-LHC utilisant la technologie de faisceau de $\mu^{+}$ ultra-froids pour atteindre une énergie de centre de masse de 5,3 TeV et une luminosité élevée afin d'explorer la QCD, la physique de Higgs et les phénomènes au-delà du Modèle Standard.

L'essentiel

Imaginez le monde de la physique des particules comme une immense partie de billard à enjeux élevés. Les scientifiques veulent fracasser de minuscules particules les unes contre les autres à des vitesses incroyables pour voir de quoi elles sont composées et comment elles s'assemblent. Pendant des décennies, la meilleure façon de faire cela a été de percuter des protons avec des électrons. Mais il y a un problème : les électrons sont trop légers. Lorsqu'ils frappent un proton, ils rebondissent trop facilement, comme une balle de ping-pong frappant une boule de bowling. Ils ne peuvent pas atteindre les « entrailles » profondes et lourdes du proton où les véritables secrets de l'univers sont cachés.

Ce document propose une nouvelle façon astucieuse de jouer au jeu : remplacez la balle de ping-pong par un « anti-muon » lourd et rapide.

Voici la décomposition de leur idée, le « μLHC » (Muon-LHC), en utilisant des analogies simples :

1. La grande idée : Un nouveau type de marteau

Les auteurs suggèrent de construire une machine qui fracasse des antimuons (un cousin lourd de l'électron) dans les protons qui circulent déjà à grande vitesse dans le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) au CERN.

• L'analogie : Imaginez que le LHC est une piste de course circulaire géante où des protons font la course comme des voitures de Formule 1. Le nouveau plan est de construire une voie latérale qui projette des « balles d'antimuons » lourdes et rapides tangentiellement dans la piste de course.
• Le résultat : Parce que les antimuons sont beaucoup plus lourds que les électrons, ils frappent les protons avec beaucoup plus de force. Cela permet d'atteindre des niveaux d'énergie de 5,3 TeV (téra-électronvolts). Pour donner un ordre d'idée, l'actuelle meilleure proposition d'électron-proton (LHeC) n'atteint qu'environ 1,2 TeV. La nouvelle machine est comme passer d'un lance-pierre à un canon.

2. La recette secrète : Les muons « ultra-froids »

Le plus grand obstacle à la construction de machines à muons a toujours été le fait que les muons sont « capricieux ». Ils se désintègrent (se décomposent) très rapidement, et créer un faisceau de muons serré et focalisé est incroyablement difficile.

• L'innovation : Le document s'appuie sur une technologie développée au Japon (J-PARC) qui crée des muons positifs « ultra-froids » (antimuons).
• L'analogie : Imaginez les muons réguliers comme un essaim d'abeilles en colère qui bourdonnent partout ; ils sont difficiles à attraper et à organiser. Les muons « ultra-froids » sont comme des abeilles qui ont été mises au congélateur — elles ralentissent, se calment et peuvent être alignées en une rangée nette et ordonnée.
• Pourquoi c'est important : Comme cette technologie pour les muons positifs existe déjà et fonctionne bien, les auteurs soutiennent que nous pouvons construire cette machine bien plus tôt qu'un collisionneur de muons complet (qui nécessite le refroidissement de muons négatifs, une technologie qui n'existe pas encore).

3. Deux façons de construire l'accélérateur

Le document explore deux manières différentes d'accélérer ces muons calmes avant qu'ils ne frappent les protons :

• Option A (La piste personnalisée) : Construire une toute nouvelle piste spécialisée basée sur une conception japonaise appelée « μTRISTAN ». C'est une longue piste droite avec des courbes, conçue spécifiquement pour accélérer ces muons jusqu'à 1 TeV.
• Option B (La rénovation) : Prendre les plans existants pour un autre projet (l'accélérateur d'électrons LHeC) et « détourner » le tunnel. Au lieu d'accélérer des électrons, ils utiliseraient le même tunnel pour accélérer des muons. C'est comme acheter une maison construite pour une famille de quatre et rénover la cuisine pour accueillir une famille de six.

4. Qu'allons-nous apprendre ? (La physique)

Une fois la machine en marche, elle agit comme un microscope surpuissant.

• Regarder plus profondément : Elle peut voir des parties du proton qui n'ont jamais été vues auparavant, spécifiquement dans des zones appelées « petit-x » et « haute-Q2 ».
  • Analogie : Si le proton est une ville, les machines précédentes ne pouvaient voir que les banlieues. Cette nouvelle machine peut zoomer pour voir les minuscules et encombrées ruelles du centre-ville où la « colle » (la chromodynamique quantique ou QCD) qui maintient tout ensemble est à l'œuvre.
• Le boson de Higgs : Elle produira des bosons de Higgs (la particule qui donne la masse aux choses) beaucoup plus fréquemment que les plans actuels, permettant d'étudier ces derniers en détail.
• Nouvelle physique (BSM) : Elle pourrait trouver des particules « exotiques » qui n'existent pas dans notre livre de règles actuel.
  • Le « muon de couleur-octet » : Le document examine spécifiquement une particule hypothétique appelée « muon de couleur-octet ». Considérez cela comme un muon qui possède une charge de « couleur » secrète (comme un super-pouvoir caché) qui lui permet d'interagir avec la force forte. La nouvelle machine est si sensible qu'elle pourrait trouver cette particule à des masses allant jusqu'à 4 100 GeV, alors que le LHC actuel ne pourrait peut-être la trouver que jusqu'à 2 300 GeV. C'est comme avoir un détecteur de métaux capable de trouver de l'or enfoui deux fois plus profondément que l'ancien.

5. Le détecteur : Un bouclier de haute technologie

Parce que les muons se désintègrent en d'autres particules (créant beaucoup de « bruit » ou de rayonnement de fond), le détecteur a besoin d'une protection spéciale.

• L'analogie : Imaginez essayer d'écouter un chuchotement dans une pièce où un moteur à réaction rugit à côté de vous. Le document propose un « nez de protection » (un mur épais en forme de cône fait de tungstène) placé juste devant le détecteur. Cela bloque le rugissement du moteur à réaction (les produits de la désintégration) afin que le détecteur puisse entendre le chuchotement (les données réelles de la collision).

Résumé

Le document soutient qu'en utilisant la technologie mature et existante des antimuons « ultra-froids », nous pouvons construire un collisionneur muon-proton de 5,3 TeV rattaché au LHC. Cette machine serait un « super-microscope » capable de voir plus profondément dans la structure de la matière que jamais auparavant, résolvant potentiellement des mystères sur la façon dont l'univers acquiert sa masse et trouvant des types de particules entièrement nouveaux, tout en étant réalisable plus tôt que les autres machines à muons proposées.

Résumé technique

Résumé technique : $\mu$LHC : Anneau d'antimuons et collisionneur $\mu$+p basé sur l'HL-LHC

Énoncé du problème
L'article traite des limites des collisionneurs lepton-hadron actuels et proposés pour sonder la structure interne de la matière aux frontières de l'énergie. Bien que le collisionneur HERA ait fourni des données fondamentales sur la structure du proton, il n'a pas réussi à couvrir la région cinématique critique du petit $x$ de Bjorken ($<10^{-4}$) à haut $Q^2$ ($>10$ GeV$^2$), ce qui est essentiel pour comprendre les bases de la chromodynamique quantique (QCD), le confinement et l'hadronisation. De plus, le secteur QCD du Modèle Standard reste incomplet, et le mécanisme de Higgs ne rend compte que de moins de 2 % de la masse de l'Univers visible. Les propositions existantes comme le Large Hadron-electron Collider (LHeC) offrent des énergies de centre de masse ($\sqrt{s}$) allant jusqu'à 1,2 TeV, ce qui est insuffisant pour la prochaine génération d'objectifs physiques. Inversement, les collisionneurs de muons ($\mu^+\mu^-$) font face à des obstacles techniques importants concernant le refroidissement et l'accélération des faisceaux, avec des démonstrateurs qui ne sont pas prévus avant 2035. L'article identifie une lacune pour un collisionneur lepton-hadron à haute énergie capable d'atteindre des énergies de l'ordre du multi-TeV plus tôt qu'un collisionneur de muons complet, en exploitant la technologie établie de l'antimuon ($\mu^+$) ultra-froid.

Méthodologie
Les auteurs proposent la conception conceptuelle d'un collisionneur $\mu$p ($\mu$LHC) utilisant le faisceau de protons du High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) (7 TeV) collisionnant tangentiellement avec un faisceau d'antimuons accéléré (1 TeV). L'étude évalue deux schémas d'accélération distincts pour le faisceau de $\mu^+$ :

1. Anneau de boost basé sur $\mu$TRISTAN : Cette option adapte la conception du concept KEK $\mu$TRISTAN, utilisant la technologie de production de $\mu^+$ ultra-froids développée à J-PARC. Elle emploie un anneau de boost de type « race-track » avec des sections d'accélérateur linéaire de 3 km et des arcs de 1 km de rayon. La conception accélère les $\mu^+$ de 212 MeV à 1 TeV sur 16 tours. Les auteurs recalculent les taux de survie des muons, trouvant 82 % de survie jusqu'à 960 GeV (nécessitant un léger ajustement pour atteindre 1 TeV).
2. Anneau de boost basé sur l'ERL du LHeC : Cette option propose de réutiliser le tunnel de l'Energy Recovery Linac (ERL) du projet LHeC. Elle utilise une configuration « race-track » avec deux linacs de 1 km et des arcs de recirculation. L'étude adapte cette infrastructure pour accélérer les $\mu^+$ sur 50 tours jusqu'à 1 TeV, calculant un taux de survie d'environ 67 %.

La méthodologie comprend :

• Dynamique des faisceaux : Calcul de la réduction de la population de muons due à la désintégration dans le booster et les anneaux principaux (circonférence de 3 km).
• Optimisation de la luminosité : Utilisation du logiciel AloHEP pour simuler les régions d'interaction, en tenant compte des effets de pincement (pinch effects), de la désintégration des particules et des effets d'hourglass pour déterminer les luminosités réalisables.
• Conception du détecteur : Proposition d'un détecteur à usage général doté d'un aimant solénoïde supraconducteur, présentant une buse de blindage en tungstène (revêtue de polyéthylène boré) pour atténuer les bruits de fond induits par le faisceau (BIB) provenant de la désintégration des muons.
• Simulation physique : Simulations de Monte Carlo utilisant MadGraph5, Pythia8 et MadAnalysis5 pour évaluer les sections efficaces de production du Higgs et le potentiel de recherche des muons de couleur octet ($\mu^8$).

Contributions clés

• Conception conceptuelle : L'article présente la première conception conceptuelle détaillée d'un collisionneur $\mu^+$p basé sur l'HL-LHC, atteignant une énergie de centre de masse de 5,3 TeV, dépassant nettement le LHeC (1,2 TeV) et l'EIC.
• Analyse de faisabilité : Il démontre que les collisionneurs $\mu^+$p sont techniquement plus réalisables à court terme que les collisionneurs $\mu^+\mu^-$ car la technologie de faisceau de $\mu^+$ ultra-froids (J-PARC) est établie, tandis que le refroidissement des $\mu^-$ reste un défi.
• Métriques de performance : L'étude calcule des luminosités atteignant plus de $10^{33}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$ pour les deux options de booster ($8,8 \times 10^{33}$ pour l'option basée sur $\mu$TRISTAN et $7,2 \times 10^{33}$ pour l'option basée sur l'ERL).
• Couverture cinématique : La conception offre une couverture du plan cinématique s'étendant jusqu'à $x \approx 3,6 \times 10^{-7}$ et $Q^2 \approx 2800$ GeV$^2$, dépassant de loin les capacités de HERA, de l'EIC et du LHeC.

Résultats

• Luminosité et Énergie : Les deux configurations atteignent $\sqrt{s} = 5,3$ TeV. L'option basée sur $\mu$TRISTAN produit une luminosité de $8,8 \times 10^{33}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$, tandis que l'option basée sur l'ERL produit $7,2 \times 10^{33}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$.
• Production de Higgs : Le $\mu$LHC est projeté pour produire nettement plus de bosons de Higgs via la fusion W et Z par rapport au LHeC. Pour un collisionneur de 5,3 TeV, le rendement annuel est estimé à environ 33 900 (fusion W) et 6 600 (fusion Z) pour l'option $\mu$TRISTAN, contre environ 1 260 et 200 respectivement pour le LHeC (ERL 20).
• Physique BSM (Muons de couleur octet) : Les simulations pour la recherche de muons de couleur octet ($\mu^8$) indiquent que le $\mu$LHC peut sonder des masses jusqu'à ~4100 GeV avec une signification de 5$\sigma$ avec 100 fb$^{-1}$ de luminosité intégrée. Cela dépasse la portée du HL-LHC (environ 2300 GeV) et démontre que le $\mu$LHC peut atteindre la même signification statistique que le HL-LHC avec seulement 100 nb$^{-1}$ de données.
• Performance du détecteur : Les simulations de la buse de blindage indiquent que 81 % des muons de 1 TeV passent à travers le cône de tungstène avec une perte d'énergie minimale, tandis que 19 % déposent de l'énergie, nécessitant une optimisation minutieuse pour équilibrer la suppression du bruit de fond et l'acceptation angulaire.

Signification et Revendications
L'article affirme que le $\mu$LHC représente une voie critique et réalisable pour la physique des hautes énergies qui peut être mise en œuvre plus tôt qu'un collisionneur de muons complet. En exploitant la technologie existante des $\mu^+$ ultra-froids, il offre un outil unique pour :

1. Clarifier les bases de la QCD : Fournir des données essentielles dans la région de petit-$x$ et haut-$Q^2$ pour tester les hypothèses de confinement et améliorer les fonctions de distribution de partons (PDF) pour les futurs collisionneurs de hadrons (HL-LHC, FCC, SppC).
2. Améliorer la physique du Higgs : Offrir un environnement à haute statistique pour l'étude des propriétés du boson de Higgs via la fusion de bosons vectoriels.
3. Explorer la physique BSM : Offrir une sensibilité supérieure aux phénomènes de la physique au-delà du Modèle Standard liés aux muons, spécifiquement les muons excités, les leptoquarks et les muons de couleur octet, surpassant le potentiel de découverte du HL-LHC pour des canaux spécifiques.

Les auteurs concluent qu'une étude systématique des aspects de l'accélérateur, du détecteur et de la physique du $\mu$LHC est nécessaire pour la planification à long terme, positionnant celui-ci comme un potentiel « deuxième outil le plus efficace » après les collisionneurs de protons pour l'exploration au niveau des constituants à l'échelle du multi-TeV.