Une expérience basée à l’Institut Paul Scherrer (PSI) en Suisse a réussi à produire, capter et transporter des positons à l’aide d’un système innovant développé pour le projet de Futur collisionneur circulaire (FCC) du CERN. Les résultats montrent que les éléments essentiels du concept de source de positons du FCC peuvent fonctionner ensemble, ce qui représente une avancée importante pour cet élément techniquement exigeant de la conception du FCC. 

« Ce sont les premiers positons produits pour le projet FCC, c’est donc une étape importante », explique Paolo Craievich, du Centre pour la science et l’ingénierie des accélérateurs du PSI, co-responsable du projet de production de positons au PSI (projet P³). 

Le projet FCC concerne une infrastructure de recherche de 91 kilomètres de circonférence, actuellement à l’étude, qui pourrait succéder au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN dans la décennie 2040. Alors que le LHC fait entrer en collision des protons, constitués de quarks et de gluons, le FCC ferait entrer en collision des électrons et leurs partenaires dans l’antimatière, les positons, c’est-à-dire des particules élémentaires. Ce mode de collision rendrait possible des mesures extrêmement précises du boson de Higgs et d’autres particules, et ouvrirait de nouvelles voies pour élucider les énigmes encore irrésolues de l’Univers. 

La source de positons est l’un des principaux défis techniques du FCC. S’il est possible de produire facilement des positons en envoyant des électrons sur une cible dense, il est beaucoup plus difficile de capter ces positons en grand nombre et de les canaliser efficacement pour former le faisceau resserré nécessaire dans un collisionneur.

Les électrons du SwissFEL frappent une cible en tungstène, produisant des positrons qui émergent dans de nombreuses directions. Cette source doit les capturer, les concentrer en faisceau et mesurer combien ont effectivement été capturés. ©PSI/Markus Fischer.

Dans le dispositif P³, des électrons accélérés par la source de lumière SwissFEL frappent une cible de tungstène, produisant une gerbe de positons qui s’échappent dans différentes directions. Le dispositif de la cible, comprenant un mécanisme permettant de régler la position de façon à optimiser la production de positons, a été conçu, fabriqué et assemblé au CERN. 

Un puissant aimant supraconducteur est placé autour de la cible pour capter le plus de positons possible. Pour satisfaire aux strictes exigences techniques de la source de positons du FCC, les chercheurs du PSI ont développé un aimant compact, constitué de supraconducteurs à haute température critique, permettant de produire un champ d’environ 15 teslas. 

D’autres composants innovants servent à guider, séparer et mesurer les positons, qui sont ensuite accélérés par les cavités radiofréquence pour pouvoir être transportés efficacement, puis injectés dans un collisionneur. 

Le projet P³ vise à démontrer que tous ces éléments fonctionnent ensemble sous la forme d’un système intégré. Il s’inscrit dans une collaboration plus vaste entre le PSI et le CERN portant sur la conception du système d’injection du FCC. 

« Je félicite l’équipe P³ et les nombreux collègues du PSI qui ont rendu cet exploit possible en collaboration avec leurs partenaires du CERN, du laboratoire de physique IJCLab de l’Université de Paris-Saclay et du centre de recherche KEK, a déclaré Michael Benedikt, chef du projet FCC au CERN. Ce travail témoigne également du soutien essentiel apporté dans le cadre du programme Swiss CHART dans le but de développer l’expertise et les technologies de pointe nécessaires pour faire de la vision FCC un projet crédible du point de vue technique. » 

La source d’essai, installée auprès de SwissFEL, utilise des dispositifs et technologies développés au PSI ces cinq dernières années dans le but de produire et de capter suffisamment de positons pour le Futur collisionneur circulaire. ©PSI/Markus Fischer

La prochaine étape pour l’équipe P³ consistera à augmenter l’intensité du faisceau et à optimiser le système, dans le but de porter la production de positons aux niveaux requis pour le FCC. Des études sont également en cours concernant l’application dans le domaine de la protonthérapie et de la fusion nucléaire de la technologie des aimants supraconducteurs à haute température critique développée pour le projet P³. 

Le Conseil du CERN devrait être en mesure de prendre une décision sur le FCC en 2028, compte tenu d’éléments tels que la faisabilité scientifique, technique et financière du projet, ainsi que des résultats des processus de débat public et de concertation publique menés dans les États hôtes du CERN, la France et la Suisse. 

Texte adapté à partir d’un communiqué de presse de l’Institut Paul Scherrer