«Nous mettons tout en œuvre pour y parvenir»

«High Intensity Muon Beams», ou HIMB, est l’une des deux parties du projet d’évolution IMPACT. Pouvez-vous nous décrire brièvement ce projet?

Thomas Prokscha: L’accélérateur de protons HIPA, ou High Intensity Proton Accelerator, est l’une des installations les plus importantes au PSI. Il dessert trois grandes installations de recherche, incluant chacune une multitude de stations expérimentales. Pour mon équipe, la production de muons est particulièrement intéressante: Nous avons les faisceaux de muons les plus puissants du monde, et c’est pour cette raison que de nombreux groupes de recherche viennent nous sollicitent pour mener leurs expériences. Cependant, les autres instituts de recherche progressent également dans ce domaine. Avec IMPACT, notre intention est d’accroître encore considérablement notre avance et de pérenniser l’installation pour de nombreuses années. Les deux faisceaux de muons, qui font partie du projet IMPACT, devraient atteindre une intensité 100 fois plus élevée, et donc produire 100 fois plus de muons.

Quels sont les domaines de recherche qui vont en profiter?

Les deux nouvelles lignes de faisceaux de muons serviront à répondre à des questions très différentes. D’un côté, il y a la physique fondamentale : soit on mesure les propriétés des muons avec la plus grande précision, soit on les utilise pour déterminer le rayon des protons ou d’autres noyaux atomiques. Ces expériences fournissent des informations importantes sur les lois fondamentales de la nature et permettent de vérifier en profondeur les théories de la physique des particules. Sur ce plan, la multiplication par 100 de l’intensité du faisceau permettra d’atteindre une précision sans précédent. 

On peut également utiliser le faisceau de muons pour analyser les matériaux. Grâce aux muons, qui s’arrêtent aux interstices du réseau cristallin, nous pouvons obtenir des informations sur les propriétés mêmes des matériaux, contrairement à la radiographie aux rayons X. Mon équipe de recherche est également à la pointe dans ce domaine, baptisé spectroscopie de spin muonique.

Comment faut-il imaginer ce champ de recherche?

Les muons sont pour ainsi dire, les jumeaux lourds des électrons.  Tout comme ces derniers, les muons possèdent une charge électrique et, avec ce que l’on appelle le spin, un petit moment magnétique. Comme les muons sont magnétiques, du fait de leur spin, ils s’arrêtent dans le matériau. Ces caractéristiques font que l’on obtient encore d’autres informations capitales sur les champs magnétiques à l’intérieur du matériau. Ces informations ne peuvent pas être fournies avec d’autres techniques, telles les rayons X. La spectroscopie de spin muonique nous offre donc des capacités intéressantes et uniques pour en apprendre davantage, par exemple sur les propriétés magnétiques de matériaux très différents. Cependant, les possibilités expérimentales sont actuellement encore quelque peu limitées.

Est-ce dû à l’intensité du faisceau de muons?

Oui, mais ce n’est pas la seule raison, aujourd’hui déjà, nous avons les faisceaux de muons les plus intenses du monde. En règle générale, nous ne pouvons utiliser qu’une fraction des muons pour la spectroscopie de spin muonique, et non la totalité produite. Nous voulons donc nous améliorer sur deux plans: premièrement, nous voulons disposer d’un flux de muons nettement plus important et, deuxièmement, nous voulons l’exploiter davantage. 

Quels sont les facteurs limitants?

Dans l’échantillon, les muons se désintègrent en d’autres particules, notamment en positrons, qui sont les antiparticules des électrons. Le taux de désintégration que nous pouvons actuellement mesurer est limité à un seul muon à la fois, lorsque celui-ci atteint l’échantillon. Cela vient du fait que nous ne savons pas exactement où chaque muon provenant du faisceau pénètre dans l’échantillon. Nous devons donc travailler avec des intervalles de temps et nous ne pouvons prélever des données que lorsqu’un muon isolé se trouve dans l’échantillon pendant un court laps de temps avant sa désintégration. Actuellement, nous parvenons tout de même à le faire jusqu’à 40 000 fois par seconde.

Mais à l’avenir, cela devrait s’améliorer considérablement? 

Exactement, nous voulons collecter beaucoup plus de données en un laps de temps plus court. Et dès lors, nous serons en mesure d’analyser des échantillons nettement plus petits. Cet aspect est important pour de nombreux groupes de recherche qui s’adressent à nous avec des matériaux novateurs. En effet, il est souvent difficile de produire des échantillons de ces matériaux avec un diamètre de plus d’un millimètre. Avec l’évolution à venir, nous serons en mesure d’analyser également de tels échantillons en détail.

Quelles modifications techniques sont nécessaires à cet effet?

L'exposition simultanée avec de nombreux muons est rendu possible grâce aux progrès considérables réalisés dans le développement des détecteurs en physique des particules. Nos partenaires à Mayence et à Heidelberg en Allemagne, ont mis au point un détecteur monolithique à pixels en silicium qui présente des caractéristiques uniques. Avec une épaisseur d’environ 50 micromètres, il est beaucoup plus mince que les détecteurs similaires disponibles à ce jour. Cette caractéristique clé fait qu’il perturbe peu les muons et leurs positrons de désintégration. Nous installons ces détecteurs autour de l’échantillon, ce qui nous permet de savoir quand, où et combien de muons atteignent l’échantillon, mais aussi quel positron de désintégration appartient à quel muon. De cette manière, nous pouvons exploiter un faisceau de muons beaucoup plus intense. Auparavant, cela n’aurait pas été possible. A l’avenir, ces détecteurs pourraient être encore améliorés dans le cadre d’une collaboration avec le Laboratoire de physique des particules au PSI.

Comment parvenez-vous à augmenter la puissance du faisceau de muons?

Si l’on veut obtenir une amélioration pareille et générer environ 100 fois plus de muons dans le faisceau, nous devons intervenir sur chaque aspect. Il faut comprendre que les muons sont des particules exotiques avec une durée de vie très brève, et qu’ils sont eux-mêmes issus de collisions de particules. Il s’agit donc de produits secondaires. Pour produire des muons, nous commençons par bombarder le faisceau de protons, issu de l’accélérateur de particules HIPA, sur une cible en graphite. Dans ce matériau, les protons interagissent avec les noyaux d’atomes de carbone et produisent ce qu’on appelle des pions, qui se désintègrent à leur tour, presque instantanément, en muons. Il faut d’abord les guider à l’aide d’aimants spéciaux. Grâce à un nouveau système magnétique développé au PSI, nous allons déjà gagner un facteur dix en muons par rapport à l’ancien système. Nous allons gagner un autre facteur dix grâce à l’amélioration du transport des muons entre la cible en graphite et la zone expérimentale, située à plusieurs dizaines de mètres. Jusqu’à présent, beaucoup de muons étaient perdus en cours de route. Là encore, ce nouveau système magnétique joue un rôle décisif. 

Quelles mesures devraient être possibles grâce à HIMB?

À l’avenir, nous serons, pour ainsi dire, en mesure de faire de la tomographie magnétique en 3D avec des muons. Et ce, de manière beaucoup plus rapide, et avec une meilleure résolution qu’aujourd’hui. Cela permettra de scruter les matériaux de plus près. Dans le cas des matériaux magnétiques, des matériaux quantiques novateurs et également des supraconducteurs, cela ouvre des perspectives passionnantes, impossibles à obtenir avec d’autres méthodes. 

A l’avenir, nous pourrons également analyser des échantillons nettement plus petits, d’un diamètre d’environ un millimètre, alors que jusqu’ici, la limite inférieure était de 4 millimètres. Cette amélioration est importante, car ces nouveaux matériaux peuvent rarement être produits en grandes quantités. Souvent, on ne dispose que d’échantillons de quelques millimètres. La nouvelle installation permettra donc à de nombreux groupes de recherche d’utiliser la spectroscopie de spin muonique. 

Avez-vous déjà reçu beaucoup de demandes?

À l’heure actuelle, des groupes de recherche du monde entier se renseignent déjà sur les nouvelles possibilités lors de divers échanges. Mais nous devons d’abord moderniser l’installation. Cela se fera pendant la grande pause d’exploitation prévue entre 2028 et mi-2029. D’ici là, beaucoup de travail nous attend pour être parfaitement préparés. Si tout fonctionne comme prévu, les demandes suivront naturellement. Nous sommes impatients de voir si les clients issus de l’industrie souhaiteront également accéder à cette installation unique. Jusqu’ici, nous collaborions surtout avec des partenaires scientifiques. Actuellement, de nombreuses start-up actives dans le domaine de la technologie quantique développent par exemple de nouveaux matériaux quantiques. La spectroscopie de spin muonique pourrait s’avérer très utile pour ces acteurs. Il y a fort à parier que nous aurons à l’avenir quelques utilisateurs venus de ce domaine.