First measurement of the low-momentum negative-muon beam for the muon-to-electron conversion experiment at J-PARC
L'expérience COMET Phase- a démontré avec succès, en 2023, le transport de muons négatifs à faible impulsion à travers le Solénoïde de Transport vers la zone expérimentale, fournissant ainsi la première référence expérimentale des caractéristiques du faisceau et validant les modèles de simulation malgré un écart systématique de rendement de 30 %.
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Dans le monde subatomique, les particules obéissent généralement à un règlement strict : un muon, un cousin pesant de l'électron, devrait finir par se désintégrer en un électron et quelques particules invisibles, mais il ne devrait jamais simplement se transformer en électron en restant immobile à l'intérieur d'un atome. Les physiciens recherchent depuis longtemps une exception rare à cette règle, un processus où un muon s'arrête dans une cible métallique et se transforme directement en un électron sans que d'autres particules n'apparaissent. Si cette transformation était découverte, elle briserait le Modèle Standard de la physique des particules, l'actuelle meilleure théorie sur le fonctionnement de l'univers, et suggérerait l'existence de forces ou de particules entièrement nouvelles. Pour capturer cet événement fugace, les scientifiques ont besoin d'une machine capable de délivrer un type de faisceau très spécifique : un flux de muons chargés négativement et se déplaçant lentement, soigneusement filtrés et guidés vers un point d'arrêt précis. Le défi réside dans le fait que ces particules sont difficiles à produire et encore plus difficiles à diriger, surtout lorsqu'elles se déplacent lentement.
Au complexe de recherche sur l'accélérateur de protons du Japon, une équipe de chercheurs a récemment franchi une étape cruciale vers la construction de la machine nécessaire à cette recherche. Ils ont réalisé le premier essai d'une nouvelle installation conçue pour capturer et transporter ces muons lents. L'expérience, nommée Phase-α, n'était pas la recherche finale de la transformation elle-même, mais plutôt un test d'ingénierie vital pour prouver que l'installation pouvait réellement délivrer le faisceau qu'elle était censée transporter. Les chercheurs ont projeté un faisceau puissant de protons sur une cible pour créer une gerbe de nouvelles particules, puis ont utilisé un immense tunnel magnétique incurvé pour trier les débris. Leur objectif était de voir s'ils pouvaient guider avec succès les muons négatifs lents à travers ce tunnel et jusque dans la zone expérimentale, où ils s'arrêteraient et attendraient la rare transformation.
L'équipe a utilisé un détecteur spécialisé appelé Compteur de Portée (Range Counter) pour compter les muons ayant réussi le voyage. Ce dispositif fonctionne comme un piège : il laisse entrer les particules chargées, les ralentit grâce à des couches de graphite et les arrête dans un bloc de cuivre. Lorsqu'un muon s'arrête dans le cuivre, il finit par se désintégrer, émettant un électron peu de temps après. En attendant cet électron différé, le détecteur peut confirmer qu'un muon s'est bien arrêté là, le distinguant ainsi du fond chaotique des autres particules. Les chercheurs ont constaté qu'ils avaient effectivement réussi à transporter un faisceau mesurable de muons négatifs lents vers la zone expérimentale. Le faisceau n'était pas une projection sauvage de particules ; il était concentré dans la région de faible impulsion, ce qui signifie que les muons se déplaçaient aux vitesses lentes requises pour la future expérience.
L'équipe a également cartographié la forme du faisceau alors qu'il traversait le tunnel magnétique incurvé. Ils ont découvert que le faisceau ne suivait pas une ligne parfaitement droite ou un cercle uniforme. Au lieu de cela, il dérivait dans une direction spécifique, avec un rendement de faisceau plus fortement supprimé lors du déplacement du détecteur vers le haut par rapport à un déplacement vers le bas. Ce profil correspondait aux prédictions de la physique sur le comportement des particules chargées dans un champ magnétique courbe, confirmant que les forces magnétiques guidaient le faisceau exactement comme les concepteurs l'avaient prévu. Les chercheurs ont comparé leurs mesures réelles avec une simulation informatique détaillée de l'ensemble du processus. Bien que la simulation ait correctement prédit la forme générale et le comportement du faisceau, le nombre réel de muons comptés était environ trente pour cent plus élevé que ce que l'ordinateur avait estimé.
Cette différence n'est pas un échec, mais une découverte précieuse. Elle indique aux scientifiques que leurs modèles actuels sur la production de ces particules et sur la façon dont elles interagissent avec les matériaux de la ligne de faisceau sont légèrement incomplets. Le fait que le faisceau soit arrivé, et que son comportement corresponde à la physique attendue du champ magnétique, prouve que l'installation est prête pour l'étape suivante. L'expérience a démontré avec succès que le système complexe d'aimants et de tunnels peut délivrer les muons négatifs lents nécessaires à la recherche principale. Avec ce premier jalon établi, l'équipe dispose désormais de données réelles pour affiner ses modèles informatiques, garantissant que lors du lancement de l'expérience à grande échelle, ils sauront exactement combien de muons attendre et où ils se trouveront. Ce test réussi marque la transition entre la construction de la machine et la compréhension de son fonctionnement, posant ainsi le fondement nécessaire à la future recherche d'une nouvelle physique.
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