Les muons font partie des constituants fondamentaux de l’Univers, mais ils n’ont jamais été utilisés dans un collisionneur de particules. Un successeur possible au Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité (HL-LHC) pourrait prendre la forme d’un collisionneur de muons, machine qui permettrait d’explorer les frontières de la physique des hautes énergies avec une empreinte environnementale relativement réduite.
Dans un accélérateur de particules circulaire, les faisceaux de particules chargées suivent une trajectoire courbe, le long de l’anneau de l’accélérateur. À cause de cette trajectoire circulaire, les particules émettent ce que l’on appelle un « rayonnement synchrotron » et perdent de l’énergie. Plus la masse d’une particule est importante, moins elle perd d’énergie par rayonnement synchrotron. Les muons étant 200 fois plus lourds que les électrons, ils émettent un rayonnement synchrotron environ deux milliards de fois plus faible. Les muons sont des particules fondamentales, contrairement aux protons du LHC, qui sont constitués de quarks. Un collisionneur de muons pourrait donc fonctionner en utilisant moins d’énergie. Ainsi, un collisionneur de muons à 10 TeV pourrait rivaliser avec un collisionneur de protons à 100 TeV.
L’idée d’un collisionneur de muons n’est pas nouvelle, puisqu’elle a été présentée il y a 50 ans ; la courte durée de vie de ces particules constitue toutefois la principale contrainte technique. Un muon au repos se désintègre après seulement 2,2 microsecondes en un électron et deux types de neutrinos. Toutefois, sa durée de vie augmente avec l’énergie. Cette courte durée de vie suppose donc de développer des concepts innovants et des technologies exigeantes.
Les études présentées dans le cadre de la mise à jour 2020 de la stratégie européenne pour la physique des particules ont montré qu’un collisionneur de muons exploité dans une gamme d’énergie de l’ordre de plusieurs TeV serait prometteur en tant que machine de précision, mais aussi comme machine à découvertes. L'une des recommandations de la mise à jour de la stratégie est d’inclure dans la feuille de route européenne pour la R&D sur les accélérateurs une étude de conception internationale pour un collisionneur de muons.
C’est pourquoi la Collaboration internationale sur un collisionneur de muons mène une étude de faisabilité détaillée visant à confirmer les performances réalistes et la faisabilité d’une telle machine, en identifiant la R&D nécessaire pour relever certains défis spécifiques, notamment la compatibilité des installations existantes avec la désintégration des muons.
Au vu du potentiel unique d’un collisionneur de muons de plusieurs TeV, les travaux de cette collaboration, qui s’efforce de démontrer la faisabilité d’un tel projet, prennent toute leur importance.