4 mètres de diamètre : L’aimant supraconducteur de MESA entre en scène

Une avancée majeure dans le domaine de la physique des particules vient de se concrétiser à l’Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) avec l’installation d’un composant crucial pour leur accélérateur de particules. En effet, l’un des projets phares du pôle d’excellence PRISMA+ est la construction du nouvel accélérateur de particules à récupération d’énergie MESA (Mainz Energy-recovering Superconducting Accelerator), qui permettra à l’avenir de réaliser des expériences d’une précision sans précédent.

L’une des principales expériences de MESA, P2, jouera un rôle clé dans la recherche de la « nouvelle physique » – la physique au-delà du modèle standard de la physique des particules – en mesurant ce que l’on appelle l’angle de mélange faible. L’élément central de l’expérience P2, une bobine magnétique supraconductrice d’un diamètre de quatre mètres et d’un poids de 21 tonnes, vient d’être livrée sur le campus de l’UGJ et installée dans l’accélérateur de particules MESA. L’aimant a été fabriqué à Vannes, en France, et livré à Mayence jeudi dernier.

« Nous travaillons avec la société SigmaPhi depuis près de cinq ans pour relever les défis et mettre en œuvre une conception de pointe pour notre expérience », a déclaré le professeur Frank Maas, porte-parole de l’expérience P2, qui est actuellement mise en place par une collaboration de physiciens d’Allemagne, de France, du Canada et des États-Unis. « C’est la première fois qu’un tel aimant solénoïde est utilisé pour des expériences de ce type. Son grand diamètre permet d’enregistrer des taux de particules particulièrement élevés. Cependant, la taille de l’aimant a également posé un défi particulier en termes de conception et de production ».

À environ quatre degrés au-dessus du zéro absolu, c’est-à-dire à environ moins 269 degrés Celsius, la bobine perd sa résistance électrique et devient supraconductrice. Pour atteindre ces basses températures, elle fonctionne sous vide à l’intérieur d’un cryostat et est refroidie à l’hélium liquide. Elle a été livrée par transport spécial depuis Vannes en Bretagne et transportée par une grue mobile spéciale avec une poutre de plus de 30 mètres de long à travers une ouverture dans le toit du nouveau bâtiment MESA jusqu’au niveau de l’accélérateur à dix mètres sous terre. Là, il a été installé dans un joug en fer pesant une centaine de tonnes.
Un aimant, deux tâches principales

L’objectif principal de l’expérience P2 est de déterminer l’angle de mélange faible, une mesure de l’intensité relative des interactions faibles et électromagnétiques. L’aimant fourni joue un rôle clé dans la détermination de cette quantité fondamentale du modèle standard et a deux fonctions cruciales.

Premièrement, il sert à focaliser les électrons diffusés de manière élastique sur les détecteurs dont les signaux sont analysés par l’équipe P2. Deuxièmement, il est utilisé pour dévier et supprimer les événements de fond qui ne sont pas pertinents pour l’analyse des données. Une détermination expérimentale précise de l’angle de mélange faible, comparée à des calculs théoriques tout aussi précis, permettra de tester le modèle standard. Les écarts entre la théorie et l’expérience indiqueraient l’existence de nouvelles particules ou forces au-delà de celles connues par le modèle standard et constitueraient une indication expérimentale de la nature de la matière noire.

Un nouveau bâtiment pour MESA

Une partie des halls souterrains a été reconstruite avec le Centre de physique fondamentale (CFP). Le CFP constitue le cadre structurel des projets de recherche centraux de PRISMA+, dont le plus important est MESA.

Dans le cadre du CFP I, les halls expérimentaux souterrains existants de l’Institut de physique nucléaire ont été agrandis d’un hall d’environ 600 mètres carrés. Les halls existants ont été modernisés et partiellement transformés. Il s’agit notamment des halls de l’accélérateur d’électrons à microtron de Mayence (MAMI), qui fonctionne avec succès depuis 1979.

Le nouveau hall MESA lui est directement rattaché, de sorte que le collecteur de faisceau existant est intégré dans le projet de construction. Les halls sont reliés par de grandes ouvertures murales afin de créer suffisamment d’espace pour l’accélérateur MESA et les expériences scientifiques associées.

Légende illustration : L’aimant de 21 tonnes du nouvel accélérateur MESA est introduit par le toit du Centre de physique fondamentale pour être installé dans son hall souterrain à une profondeur de dix mètres. (photo/© : Twain Wegner)

Source : Université Johannes Gutenberg