Comment Mu2e traque la physique au-delà du modèle standard

Une transformation interdite

Dans les profondeurs des prairies de Batavia, dans l'Illinois, un appareil de 28 mètres de long à Fermilab se prépare à observer quelque chose qui ne devrait jamais se produire. L'expérience Mu2e – abréviation de Muon-to-Electron Conversion Experiment (Expérience de conversion muon-électron) – examinera des billions de muons, attendant qu'un seul enfreigne les règles de la physique telles que nous les connaissons.

La règle en question est la conservation de la saveur leptonique chargée, un principe ancré dans le modèle standard de la physique des particules. Selon ce cadre, les muons – des cousins plus lourds des électrons – peuvent se désintégrer en particules plus légères, mais ils doivent toujours produire des neutrinos au cours du processus. Un muon se convertissant directement en un électron près d'un noyau atomique, sans aucun neutrino, serait un signal indubitable que des forces ou des particules inconnues sont à l'œuvre.

Pourquoi les muons sont importants

Les physiciens savent déjà que les neutrinos violent la conservation de la saveur : ils oscillent entre les types lorsqu'ils voyagent. Mais le même comportement n'a jamais été observé chez les leptons chargés – électrons, muons et particules tau. De nombreuses théories qui étendent le modèle standard, y compris la supersymétrie, les modèles de leptoquarks et les cadres extra-dimensionnels, prédisent que la violation de la saveur leptonique chargée (CLFV) devrait se produire, mais à des taux extraordinairement bas.

Les muons sont idéaux pour cette recherche. Ils ne se désintègrent pas en hadrons, ils vivent assez longtemps (environ 2,2 microsecondes) pour être capturés et étudiés, et ils peuvent être produits en quantités énormes. Cette combinaison offre aux expérimentateurs un environnement propre et à haute statistique – exactement ce qui est nécessaire pour repérer un événement qui peut se produire moins d'une fois tous les 100 billions d'interactions muoniques.

Comment fonctionne l'expérience

Mu2e utilise une chaîne de trois aimants solénoïdes supraconducteurs, chacun ayant un rôle distinct :

• Solénoïde de production : Un faisceau de protons de 8 GeV provenant de l'accélérateur Booster de Fermilab percute une cible de tungstène de la taille d'un crayon, produisant une gerbe de pions qui se désintègrent rapidement en muons. Le système génère entre 200 et 500 billions de muons par an.
• Solénoïde de transport : Cinquante électroaimants supraconducteurs distincts guident et filtrent le faisceau de muons par charge et impulsion, dirigeant les muons négatifs de basse énergie vers le détecteur tout en rejetant les particules indésirables.
• Solénoïde de détection : Les muons frappent une fine cible d'arrêt en aluminium (d'environ 0,2 mm d'épaisseur) et sont capturés en orbite autour des noyaux d'aluminium. Si un muon se convertit directement en un électron, cet électron s'échappe avec une énergie révélatrice d'exactement 104,97 MeV – une signature unique qui le sépare des produits de désintégration ordinaires.

Deux instruments captent le signal. Un traqueur à tubes de paille composé de 18 panneaux avec 96 tubes de paille chacun mesure l'impulsion de l'électron avec une extrême précision. En aval, un calorimètre électromagnétique construit à partir de cristaux d'iodure de césium confirme l'énergie et le timing de la particule. Un système de veto de rayons cosmiques entourant l'appareil filtre le bruit de fond provenant de l'espace.

10 000 fois plus sensible

Mu2e est conçu pour atteindre une sensibilité de 5 × 10⁻¹⁷ – quatre ordres de grandeur au-delà de la meilleure expérience précédente, SINDRUM II, qui s'est déroulée à l'Institut Paul Scherrer en Suisse. À ce niveau, le détecteur peut sonder des échelles d'énergie effectives allant jusqu'à 10 000 TeV, bien au-delà de ce que tout collisionneur de particules, y compris le Grand collisionneur de hadrons, peut atteindre directement.

Cette portée indirecte est ce qui rend les recherches CLFV si puissantes. Plutôt que de fracasser des particules à des énergies de plus en plus élevées, Mu2e recherche les subtiles empreintes quantiques que des particules massives et non découvertes laisseraient sur le comportement des muons.

Ce que signifierait une découverte

Si Mu2e détecte ne serait-ce qu'une seule conversion muon-électron confirmée, ce serait la première preuve directe de violation de la saveur leptonique chargée et un signe sans équivoque de la physique au-delà du modèle standard. Une telle découverte pourrait aider à expliquer certaines des énigmes les plus profondes de la physique : pourquoi la matière domine l'antimatière dans l'univers, et ce qui donne aux neutrinos leurs minuscules masses.

Même un résultat nul serait précieux, excluant de larges pans de l'espace des paramètres théoriques et resserrant les contraintes sur les modèles allant de la supersymétrie aux leptons neutres lourds.

Avec plus de 240 scientifiques de 40 institutions dans six pays, et un prix de 271 millions de dollars, Mu2e représente l'une des expériences de physique de précision les plus ambitieuses de sa génération. Comme l'a dit le co-porte-parole Stefano Miscetti après plus d'une décennie de construction : "Nous voyons enfin l'expérience prendre forme." La communauté de la physique observe attentivement – car si Mu2e trouve ce qu'elle cherche, la physique des particules ne sera plus jamais la même.