L'EPFL pilote la conception d'accélérateurs pour le PRN sur les muons

Les muons, des cousins lourds de l’électron, sont des particules élémentaires dotées d’une durée de vie de quelques microsecondes et d’un moment magnétique particulièrement sensible. Ces propriétés uniques en font des sondes très efficaces pour la physique fondamentale, permettant des tests de précision du Modèle standard, l’étude de la structure nucléaire et l’exploration de matériaux quantiques tels que les supraconducteurs et les aimants exotiques. Dans la recherche appliquée, les muons sont également utilisés en sciences de l’environnement, dans le domaine de l’énergie et pour l’étude du patrimoine culturel, grâce à leurs capacités d’imagerie non destructive et d’analyse élémentaire en profondeur.

Le PRN Muoniverse réunit des institutions suisses de premier plan dans les sciences physiques, les sciences de la vie, l’ingénierie et les sciences du patrimoine afin d’associer des disciplines jusqu’ici séparées et d’exploiter pleinement le potentiel des faisceaux de muons. Soutenue par un financement fédéral majeur (PRN), cette initiative renforce la position de la Suisse dans la recherche sur les muons et prépare la création de futures infrastructures de grande envergure. En s’appuyant sur l’expertise nationale en production de muons, en mesures de précision et en technologie des accélérateurs, Muoniverse développe de nouveaux outils et concepts pour les installations de prochaine génération.

Dans ce cadre, le projet T2 s’attaque à un défi central : accélérer des faisceaux de muons positifs à faible émittance tout en préservant la qualité de faisceau exceptionnelle requise pour les expériences de haute précision et l’imagerie avancée. Le projet est dirigé à l’EPFL par la Dre Tatiana Pieloni au Laboratoire de physique des accélérateurs de particules (LPAP), sous la direction du Prof. Mike Seidel. Les travaux seront menés en collaboration étroite avec la Dre Alessandra Lombardi (CERN) et le Prof. Aldo Antognini (ETH Zurich / PSI).

Les faisceaux de muons à faible émittance sont d’abord comprimés `a l’échelle du millimètre grâce à des techniques de refroidissement avancées. Pour leurs applications pratiques, ils doivent ensuite être accélérés jusqu’à plusieurs MeV, tandis que des dispositifs de focalisation performants réduisent leurs dimensions transverses à des taches submillimétriques, essentielles pour une résolution spatiale exceptionnelle en physique fondamentale et en imagerie haute résolution. Cette tâche est particulièrement exigeante : avec une durée de vie d’environ 2.2 µs, les muons nécessitent une accélération extrêmement rapide et efficace tout en préservant leur qualité.

Le projet T2 développe des designs conceptuels et techniques pour accélérer les µ⁺ d’environ 10 keV (extraction microfaisceau) jusqu’à plusieurs MeV. L’équipe de l’EPFL étend et adapte des outils de dynamique de faisceau pour l’étude de l’accélération des muons, permettant des simulations réalistes de l’ensemble de la chaîne d’accélération basse énergie. Différents mécanismes et technologies d’accélération seront évalués et comparés en termes de performance, de préservation de la qualité de faisceau et d’énergie atteignable. L’une des approches étudiées repose sur la technologie Radio-Frequency Quadrupole (RFQ) (Fig. 1), un accélérateur compact et très efficace capable d’accélérer et de focaliser simultanément des faisceaux de basse énergie dans une seule structure.

Concevoir un système d’accélération `a la fois rapide, efficace et capable de produire des taches de faisceau submillimétriques représente un défi de pointe en physique des accélérateurs. Le projet T2 contribue directement `a la mission globale de Muoniverse : établir les bases scientifiques et technologiques de la prochaine génération de recherches fondées sur les muons, et étendre leur utilisation en Suisse dans la physique fondamentale, la science des matériaux, l’énergie, l’environnement et l’étude du patrimoine culturel.