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
URL du projet : http://www.rechenkraft.net/yoyo
| Liens du Projet | L'Alliance Francophone | Statistiques |
|
Projet administré par Yoyo et l'équipe allemande Rechenkraft.net
Yoyo@home est une plateforme multi-projets qui permet de faire fonctionner des programmes de recherche extérieurs à BOINC. Pour se faire, Yoyo et son équipe de programmeurs bénévoles adapte les applications au format BOINC.
Outre Muon1, yoyo@home permet également de participer au choix à deux autres projets : Evolution@home (l'évolution des espèces) et OGR25 (règle de Golomb)
Le choix des projets s'effectue dans ses préférences Yoyo@home (appuyez sur "Edit yoyo@home preferences", puis cocher ou décocher les cases à souhait)
Description du projet Muon1
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
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)