Une équipe de recherche japonaise accélère des muons à 0,3 MeV, franchissant une étape vers le seul accélérateur de muons au monde

Une équipe de recherche composée du centre J-PARC, de l'Organisation de recherche sur les accélérateurs à haute énergie (KEK), de l'Université de Tokyo, de l'Organisation nationale des universités de Tōkai, de l'Université de Nagoya et de l'Institut RIKEN, entre autres, a récemment réalisé des expériences de refroidissement et d'accélération radiofréquence des muons dans la nouvelle zone expérimentale d'accélération des muons de l'installation de matériaux et de sciences de la vie du J-PARC, réussissant à accélérer des muons jusqu'à une énergie cinétique de 0,3 MeV, soit une vitesse d'environ 8 % de celle de la lumière.

Schéma conceptuel du refroidissement et de l'accélération d'un faisceau de muons positifs. En refroidissant les muons positifs dont la direction et la vitesse sont non uniformes, une accélération haute fréquence efficace peut être obtenue

Le muon est une particule élémentaire semblable à l'électron, pouvant être produite artificiellement par des accélérateurs, largement utilisée dans des domaines tels que la science des matériaux, la recherche en physique des particules et l'imagerie de grandes structures. Cependant, les faisceaux de muons produits par les accélérateurs conventionnels ne sont pas uniformes en direction et en vitesse, ce qui rend difficile leur introduction directe dans les étapes d'accélération ultérieures. Par conséquent, la manière de refroidir d'abord les muons puis de réaliser une accélération stable constitue un problème technique clé dans les recherches associées.

Cette expérience a été menée dans la zone expérimentale de la nouvelle ligne de faisceau de muons dédiée H du MLF. L'équipe de recherche a d'abord refroidi des muons ayant une énergie cinétique d'environ 4 MeV afin de les rendre plus adaptés à l'accélération haute fréquence, puis les a accélérés à 0,3 MeV à l'aide d'une cavité accélératrice radiofréquence. Par rapport à la première démonstration mondiale de refroidissement et d'accélération de muons réalisée par l'équipe en 2024, l'énergie d'accélération de cette expérience a été augmentée d'environ 3 fois, et l'intensité du faisceau a été augmentée d'environ 200 fois, atteignant environ 10 muons par seconde.

L'équipe de recherche a indiqué que ce résultat signifie que la recherche sur l'accélération des muons passe de la phase de « démonstration » technique à la phase de « mise en œuvre » capable de produire des faisceaux de muons utilisables expérimentalement, constituant une avancée importante pour la construction et l'exploitation du seul accélérateur de muons au monde.

Selon les plans ultérieurs, l'équipe de recherche vise à accélérer les muons jusqu'à 4 MeV vers 2027-2028, soit une vitesse d'environ 30 % de celle de la lumière, afin d'établir les technologies de base liées aux faisceaux de muons artificiels et portables. À plus long terme, l'équipe espère accélérer davantage les muons au-delà de 200 MeV pour des mesures d'ultra-haute précision telles que le g-2 du muon et le moment dipolaire électrique, et promouvoir la recherche appliquée du microscope à muons en transmission dans les domaines de la science et de l'ingénierie des matériaux.