Avancer la production de muons avec des faisceaux d'électrons à Shanghai

Les Muons sont des particules spéciales qui jouent un rôle important dans la science fondamentale et les applications pratiques. Pour les expériences impliquant des muons, c'est mieux d'avoir une source qui en produit rapidement et souvent. Le setup idéal produirait des muons environ 50 fois par seconde, mais beaucoup d'installations actuelles n'arrivent à gérer des taux beaucoup plus bas. Cette limitation peut mener à des résultats incertains dans les expériences. Cette analyse envisage d'utiliser un Faisceau d'électrons à grande vitesse d'une installation à Shanghai pour produire des muons de manière plus efficace.

#Installations Actuelles de Muons

Les installations de muons dans le monde s'appuient généralement sur des accélérateurs de protons à haute puissance. La plupart de ces installations fonctionnent de manière à pouvoir soutenir plusieurs types d'expériences en même temps, y compris celles impliquant des muons, des neutrons et des pions. Certaines installations produisent des muons de façon pulsée, environ 25-50 fois par seconde. D'autres fournissent un flux constant de particules. Un problème courant avec ces setups est qu'ils ne produisent pas assez de muons assez rapidement pour des recherches plus précises.

Ces dernières années, les scientifiques ont souligné que les meilleures sources de muons pour certains types d'expériences doivent pouvoir produire des muons beaucoup plus fréquemment. Certaines recherches ont suggéré d'utiliser des types spécifiques d'accélérateurs de protons, mais ils sont encore en développement. Ces faisceaux de protons peuvent parfois atteindre des fréquences plus élevées, mais ils sont souvent dédiés à une seule expérience.

#Faisceaux d'Électrons pour la Production de Muons

Une approche alternative est d'utiliser des faisceaux d'électrons pour produire des muons. Récemment, certains chercheurs ont proposé d'utiliser un grand accélérateur d'électrons pour créer un taux de muons beaucoup plus élevé. Des études ont également été réalisées sur la possibilité d'utiliser différents setups. Les avancées dans la technologie des lasers ont permis de créer des accélérateurs d'électrons plus petits, ce qui pourrait mener au développement de sources de muons compactes dans un futur proche.

#Introduction à l'Installation SHINE de Shanghai

L'installation de haute répétition XFEL et de lumière extrême de Shanghai, connue sous le nom de SHINE, est actuellement en construction à Shanghai. Cette installation aura un puissant accélérateur d'électrons capable de générer un faisceau d'électrons à haute vitesse et dans une configuration unique. Ce setup devrait produire des électrons à un rythme très rapide, et il est équipé de trois lignes spécifiques conçues pour créer des rayons X durs.

Après avoir créé des rayons X, le faisceau d'électrons peut ensuite être dirigé vers une cible où des muons et d'autres particules peuvent être générés. En étudiant comment les électrons interagissent avec divers matériaux, les chercheurs espèrent optimiser le processus pour créer des muons efficacement.

#Simulation de la Production de Muons

Les chercheurs ont mené des simulations pour comprendre comment mieux produire des muons en utilisant le faisceau d'électrons de l'installation SHINE. L'objectif est de déterminer les meilleurs matériaux et designs pour la cible que les électrons vont frapper. Dans des études antérieures, le Tungstène a été choisi comme matériau cible parce qu'il est efficace pour générer des particules.

Les premiers résultats montrent que les meilleures dimensions pour la cible en tungstène afin de produire des muons de surface impliquent une épaisseur de 30 mm et un rayon de 6 mm. Les simulations indiquent que les muons produits par les deux processus différents présentent des variations dans leurs niveaux d'énergie et les angles auxquels ils sont libérés.

#Deux Méthodes de Création de Muons

Les muons peuvent être créés de différentes manières selon les particules impliquées. Quand des muons sont créés à partir d'une source d'électrons, deux processus clés peuvent être utilisés : le processus photo-nucléaire et le processus de production de paires. La première méthode repose sur des photons produits lorsque les électrons sont accélérés, tandis que la seconde implique un mécanisme différent qui ne nécessite pas de pions.

Les simulations indiquent que le rendement de la première méthode, utilisant des photons, produit moins de muons par rapport à la seconde méthode, qui crée plus de muons à partir des collisions d'électrons.

#Utilisation de la Décharge de Faisceau SHINE

Dans l'installation SHINE, les chercheurs ont également examiné la configuration existante comme une possible source de muons. La décharge de faisceau à SHINE est conçue pour absorber l'excès d'énergie du faisceau d'électrons mais peut aussi être modifiée pour produire des muons grâce aux interactions qui se produisent dans le matériau. Cette décharge de faisceau est cylindrique et contient divers matériaux, ce qui pourrait offrir un environnement adéquat pour générer des muons.

En analysant différents points autour de la décharge de faisceau, les chercheurs pourraient identifier des emplacements avec les taux les plus élevés de production de muons. Les simulations ont montré que des quantités considérables de faisceaux de muons peuvent être attendues à partir de certains angles dans la configuration.

#Résultats Attendues

Les résultats attendus des configurations de la cible en tungstène et de la décharge de faisceau suggèrent que l'installation SHINE pourrait effectivement produire un rendement significatif de muons. En utilisant la cible en tungstène, le rendement est projeté pour être assez élevé à chaque impulsion d'électrons, améliorant potentiellement la qualité et la quantité de muons disponibles pour les expériences. La configuration de la décharge de faisceau pourrait donner encore plus de muons avec des ajustements mineurs.

Cette nouvelle source de muons serait bénéfique pour un large éventail d'expériences. Celles-ci incluent la mesure des durées de vie des muons, la recherche de transitions spécifiques entre le muonium et l'anti-muonium, ainsi que l'utilisation des muons pour des études avancées, comme la spectroscopie de spin des muons.

#Conclusion

En conclusion, le développement d'une source de muons à haute répétition à l'aide de l'installation SHINE à Shanghai promet beaucoup. En tirant parti des faisceaux d'électrons avancés, les chercheurs visent à surmonter les limitations des installations de muons actuelles. Le rendement anticipé des configurations proposées pourrait considérablement améliorer les capacités de recherche sur les muons, permettant des expériences plus précises et de nouvelles découvertes passionnantes en physique fondamentale et en science appliquée. Les recherches futures se concentreront sur l'optimisation de l'extraction du faisceau et l'exploration d'autres applications pour les muons générés, ouvrant la voie à des avancées dans divers domaines.