muon
Adaptation à
BOINC du projet Muon1 Distributed Particle
Accelerator Design
Optimiser
la conception d'un accélérateur de particules qui
sera utilisé pour mesurer la masse des neutrinos
INSCRIPTION 
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Boinc (tutorial)
URL du projet : http://www.rechenkraft.net/yoyo
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allemande Rechenkraft.net
Yoyo@home est une plateforme
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Pour se faire, Yoyo et son équipe de programmeurs
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Outre Muon1, yoyo@home permet
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projets : Evolution@home
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Description du projet
Muon1
Le projet Muon1 simule
le processus de production des muons obtenus par la
désintégration de pions chargés (ce
processus est représenté sur l'image ci dessous
par la trajectoire rectiligne bleue entourée par les
cylindres gris). Le projet effectue une simulation de la future usine
à neutrinos par collision
frontale du laboratoire Rutherford Appleton (RAL
Neutrino factory), en combinant soit
un
aimant en guise d'obstacle avec un accélérateur
linéaire (Linac), soit avec un système
à rotation
de phase. Un "anneau de refroidissement" à muons
apparaîtra dans la
version 5 de l'application (actuellement c'est la version 4.44d)
Qu'est ce qu'un Muon ? (source
wikipédia)
Le muon
est, selon le modèle standard de physique des particules, le
nom donné à deux particules
élémentaires de charge positive et
négative. Les muons ont une masse 207 fois plus grande que
celle de l'électron (105,6 MeV) et possèdent un spin
1/2. Les muons, tout comme les électrons, appartiennent
à la même famille de fermions,
les leptons. Les muons sont
notés μ- ou μ+
suivant leur charge électrique.
Sur Terre, les muons sont
produits par la désintégration de pions chargés.
Les pions sont créés dans la haute
atmosphère par des rayons cosmiques
et ont un temps de vie faible (environ deux microsecondes). Cependant,
les muons ont une grande énergie, ainsi l'effet de
dilatation
temporelle décrite par la relativité
restreinte les rend observables à la surface de la
Terre.
Tout comme pour le cas des
électrons, il existe un neutrino
muonique qui est associé au muon. Les neutrinos
muoniques sont notés par νμ.
Les muons positifs peuvent
former une particule appelée le muonium,
ou μ+e–.
À cause de la différence de masse entre le muon
et l'électron, le muonium ressemble plus à un atome
d'hydrogène que le positronium.
L'usine à
neutrinos
L'usine à neutrinos est un projet de conception d'une source
intense de
neutrinos pour étudier l'oscillation de leurs saveurs
(caractéristiques particulières). Un
faisceau intense de protons est envoyé sur une cible. Les
pions ainsi crées sont collectés et se
désintègrent en muons dans un canal de
décroissance. Les muons sont ensuite
accélérés et envoyés dans
un anneau de décroissance où ils se
désintègrent à leur tour en neutrinos.
La courte durée de vie des muons nécessite une
accélération rapide. Dans ce contexte,
l'utilisation d''accélérateurs dits "FFAG" (Fixed
field alternating gradient) est actuellement l'objet d'un travail
intense de recherche au sein d'une collaboration internationale Europe,
Etats-unis,Japon.
On peut citer la participation des groupes de travail suivant :
- ECFA/BENE en Europe
- Collaboration NuFact-J au Japon
- Collaboration MC (Muon collider) et Neutrino Factory aux E-U
- Collaboration Neutrino Factory au Royaume-Uni
La durée du
projet
De nombreux paramètres devront être
évalués et optimisés dans
cette partie de la conception -- c'est un domaine de recherche assez
actif, ainsi ce programme pourrait tourner en faisant se
succéder de nombreuses
versions différentes jusqu'en 2010 voire au-delà.
Il
pourrait toutefois
y avoir des pauses, le temps de modifier le code du programme,
où dans l'attente d'informations relatives à de
nouveaux paramèters de conception en provenance
d'une tiers personne.
Explication du
fonctionnement d'une usine à neutrino
Shéma d'un
complexe d'usine à neutrino
* 1 GeV = 1
milliards d'electron-volts
La première
étape est la construction d'un
accélérateur de protons très
puissant, le Superconducting Proton Linac. Le SPL pourrait
être
construit en utilisant une partie des cavités RF du LEP,
afin de
fournir au moins 4 MW de protons de 2,2 GeV. Ceux-ci seraient
stockés
et traités dans deux anneaux construits dans le tunnel ISR.
La
technologie pour construire le SPL est déjà
disponible. Mais les
éléments qui constituent la machine en aval
nécessitent un important
effort de R&D. C'est le cas de la cible de grande puissance
destinée à produire des muons et du
système de refroidissement des
faisceaux de muons, le concept le plus innovant dans cette machine.
Après cette étape, les muons devront
être fortement accélérés,
faute de
quoi ils se désintégreront avant d'avoir atteint
les niveaux d'énergie
nécessaires. En comparaison, l'anneau de stockage
à section droite qui
doit viser le détecteur à distance
paraît relativement facile à
construire.
Le Linac fournit un faisceau H - de 2 GeV sous
forme d'impulsions de 2ms
toutes les 10 ms. Le système RF ré-utilise
environ 40 klystrons
du LEP en mode pulsé. Des cavités type LEP-2 sont
exploitées
telles quelles entre 1 et 2 GeV. Entre 1 GeV et 100 MeV de nouvelles
cavités
supraconductrices sont nécessaires. Entre 100 MeV et 0 MeV
des structures
à température ordinaire sont
préférées
(RFQ et "Drift Tube Linac"). Un "chopper" rapide à 2 MeV
permet
de donner au faisceau la structure temporelle nécessaire
pour la
formation des paquets dans l'anneau d'accumulation. Le courant de
faisceau
pendant l'impulsion est de 10 mA, ce qui correspond à une
puissance
moyenne de 4 MW.
Les protons de ce faisceau sont accumulés (par
échange
de charge) en 12 paquets dans un anneau à énergie
fixe situé
dans le tunnel des ISR. A l'issue de l'accumulation, les protons sont
transférés
dans un second anneau dit "de compression", également
situé
aux ISR, où ils subissent une tension RF
élevée entraînant
le raccourcissement des paquets à environ 6 ns.
Après 8 tours
(~ 30 microsec.) les 12 paquets de 1E13 protons chacun sont
éjectés
vers la cible de production de muons.
En ce qui concerne le faisceau de muons secondaires,
derrière la
cible, de nombreux choix technologiques sont encore à faire
et de
la R. & D. est indispensable pour optimiser les performances. A
l'heure
actuelle et sur la base des travaux engagés depuis de
nombreuses
années aux USA, le schéma envisagé est
le suivant:
- les muons secondaires étant diffus, une ou
plusieurs manipulations
sont indispensables pour augmenter leur densité utile
("Bunch rotation",
"Mini-cooling"),
- la durée de vie d'un muon dans son propre
référentiel
n'étant que de 2 micro secondes, les traitements qu'il subit
doivent
être extrêmement rapides et
l'accélération en
particulier n'est concevable que dans une cascade de Linacs avec ou
sans
recirculation.
- une fois accélérés
à 50 GeV la durée
de vie apparente d'un muon dans un référentiel
terrestre
atteint 1 ms, ce qui lui permet d'effectuer plusieurs centaines de tour
dans un anneau de stockage de 1 km de circonférence. Cet
anneau
comportera 2 longues sections droites à
l'extrémité
desquelles le flux de neutrinos résultant de la
désintégration
des muons sera particulièrement intense, et qui seront
pointées
vers des sites expérimentaux distants (Gran Sasso etc.).
Puissance consommée par le Linac
Le SPL consommera une puissance de l'ordre de 40 MW pulsés
(dont
26 MW RF) sur 30% du temps. La puissance moyenne extraite du
réseau
sera donc d'environ 10 à 12 MW.
Description
détaillée de l'expérience
Cette
expérience est appelée "Neutrino Factory"
(l'usine à
neutrinos), sa construction est prévue aux environs de 2015.
Son
principal but sera d'envoyer des faisceaux de neutrinos (particules
fondamentales) à travers la croute terrestre, et en
direction des stations
de
détection situés sur différents
continents. Ces faisceaux de neutrinos pourrait par exemple voyager du
CERN aux
îles Canaries, à
l'archipel du Svalbard en Norvège ou même
à la mine Pyhaesalmi en
Finlande (voir l'image ci-contre)
L'objectif de cette expérience
sera de mesurer si les neutrinos changent de saveur
[électronique, muonique
ou tauique,
la source dans cette expérience semblant être des
muons ==> type
muonique au départ] en cours de route et les
données de ce changement permettront de
déterminer beaucoup plus
précisément la masse d'un neutrino.
L'intérêt scientifique de cette
expérience tient dans le fait que le neutrino est la
particule la plus commune de l'univers
(chaque seconde, des milliards vous traverse le
corps). Connaître la masse d'un neutrino influencera la
perception que nous avons de l'évolution de
l'univers mais également du processus exact de sa formation
au moment du
"Big Bang". En fait, les
neutrinos représentent le quart de
la
matière décrite dans l'actuel "modèle
standard" de la physique. Pour
continuer dans les théories les plus avancées de
la physique, il est essentiel de connaître avec une grande
précision les
propriétés de ces particules pour pouvoir
discerner
les petites
différences de
prédiction des différentes théories
alternatives.
En fait, le
complexe d'usine à neutrino (son coût est
estimé
à au
moins 1,9 milliards de
dollars soit 1,2 milliards d'euros) aura plusieurs buts scientifiques.
Les neutrinos sont
utilisés
pour des expériences de physique fondamentale, mais le
faisceau de
protons produit au début de l'expérience (c'est
ce faisceau qui heurte la cible au
début de la
simulation que vous téléchargez) pourrait aussi être
utilisé dans des
expériences comme la neutralisation de déchets
radioactifs par la
transmutation des éléments radioactifs en des
éléments stables, et
pourra procurer une intense source de neutrons pour la microscopie
atomique
3D. Le faisceau de muons qui proviendra de la fin de la section que
nous optimisons pourra aussi être utilisé comme
base pour un futur
"collisionneur de muons", une machine qui pourrait produire les
collisions les plus énergétiques entre particules
fondamentales qui
n'aient jamais été réalisés
auparavant.
Au cours de ce projet,
vous simulerez une partie du processus, lorsque le faisceau de protons
heurte la
cible et cause
l'émission de pions, qui se
désintègrent en muons. Ils sont ensuite
dirigés vers un anneau de stockage et se
désintégrent en électron
et neutrinos qui sont utilisés pour les
expériences. C'est une partie
plutôt critique de l'appareil, qui capture les pions et
confine
certains d'entre eux dans un faisceau pendant qu'ils se
désintègrent.
L'efficacité de cette partie dicte l'efficacité
de l'appareil dans son
entier, puisqu'il est constitué de nombreuses
étapes d'accélération, chaque
accélération étant reliée
avec la précédente.
Le financement du projet et de la construction de l'usine à
neutrino dépend des
performances qui
pourront être réalisées suite
à cette présente
R&D. Et comme les utilisateurs du programme ont
déjà doublés
l'efficacité estimée d'une étape, et
que d'autres sont à optimiser dans
le futur....
Liens :
L'accélération
des muons dans le projet d'usine à neutrinos ,
document .ppt de 7,2 Mo écrit par Franck Lemuet
(CEA/DAPNIA/SACM & CERN)
Neutrinos
: de l'atelier à l'usine (CERN)
Articles wikipédia : Muon ,
Pion
UK
Neutrino Factory
(l'usine à neutrinos du Royaume-Unis)
Accelerator
Theory group (c'est dans ce groupe que le responsable du
projet Muon1, Stephen Brooks, travaille)
The
Neutrony Factory and Muon Collider Collaboration (NFMCC)
Dernière mise à jour : 04-05-2008 12:46
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