Le Fonds national suisse a accordé la demande de fonds d’un vaste consortium emmené par l’Institut Paul Scherrer PSI et l’Université de Zurich. Grâce au Pôle de recherche national «Muoniverse», la recherche avec muons au PSI sera prête à relever les défis scientifiques et industriels de demain. Un projet phare au rayonnement international.
Pour la sixième fois, le Fonds national suisse (FNS) a lancé un appel à projets pour les Pôles de recherche nationaux (PRN ou National Centres of Competence in Research NCCRs en anglais). Avec cet instrument, le FNS soutient des projets de recherche d’importance stratégique et conçus sur le long terme, dans le cadre desquels les scientifiques participants se penchent sur des sujets importants de manière interdisciplinaire et interuniversitaire. L’Institut Paul Scherrer PSI et l’Université de Zurich (USZ) viennent de se voir attribuer des fonds pour le PRN baptisé Muoniverse. Comme son nom l’indique, l’objet de ce PRN est la recherche sur des particules élémentaires appelées muons.
«Nous sommes très heureux de pouvoir diriger ce PRN en tant que promoteurs du projet Muoniverse», déclare Klaus Kirch. Ce chercheur est responsable du Laboratoire de physique des particules au Centre de recherche avec neutrons et muons du PSI, professeur à l’ETH Zurich et directeur désigné de Muoniverse. Des séries de PRN avaient déjà été lancées en 2001, 2005, 2010, 2014 et 2020. Le PSI a contribué à plusieurs d'entre elles, notamment MaNEP, MUST et MARVEL. Aujourd'hui, le PSI dirige pour la première fois un NCCR.
La directrice adjointe est Angela Papa, également chercheuse au Centre de recherche avec neutrons et muons du PSI. «Au PSI, nous possédons actuellement l’installation de faisceaux de muons la plus intense au monde qui nous permet de mener des travaux de recherche uniques», rappelle-t-elle. Pour les scientifiques du monde entier, le PSI représente donc un point de convergence essentiel dans les domaines de la physique des particules et de la science des matériaux, notamment pour les matériaux magnétiques, énergétiques et quantiques. Or, dans le futur, cette installation sera encore plus performante, ouvrant ainsi des perspectives uniques au niveau international pour des activités de recherche en cours et à venir.
Les muons: frères lourds des électrons
Les muons sont pour ainsi dire les frères lourds des électrons et de leurs antiparticules, les positrons. Ils possèdent des propriétés physiques identiques à celles des électrons et des positrons, et ne se distinguent que sur deux points: leur masse, beaucoup plus importante, et leur instabilité. Or cette masse plus élevée fait qu’ils pénètrent bien mieux dans les matériaux. «C’est un avantage important des muons, explique Klaus Kirch. Ces particules permettent aussi d’analyser d’épais échantillons de matériaux, dont on ne verrait que les couches superficielles avec des électrons.» Mais les muons ont aussi une durée de vie très courte, raison pour laquelle il faut des accélérateurs de particules sophistiqués pour les produire et les amener rapidement à l’expérience avant qu’ils ne se désintègrent.
L’installation actuelle au PSI livre déjà des faisceaux de muons intenses. «Mais la concurrence nous talonne, relève le physicien. C’est pourquoi, en ce moment, nous procédons déjà à une mise à niveau de notre installation avec le projet IMPACT.» Toutefois, cette mise à niveau n’épuisera pas, et de loin, le potentiel de la recherche avec muons. Avec Muoniverse, les scientifiques planifient toute une série d’améliorations qui vont largement au-delà de l’état actuel de la technologie. «A maints égards, nous nous aventurons sur un territoire technologique inédit», souligne Klaus Kirch.
Transformer la hache en scalpel
Grâce à Muoniverse, des possibilités de recherche uniques vont s’ouvrir. Les faisceaux de muons utilisables devraient être nettement mieux focalisés. «A l’avenir, l’amélioration de la qualité du faisceau nous permettra également de mener des analyses de haute précision sur de petits échantillons de matériaux», souligne le chercheur. Avant d’ajouter en souriant: «Nous transformons ainsi la hache en scalpel, pour ainsi dire.» Des faisceaux de muons aussi purs permettront d’analyser en détail des matériaux quantiques novateurs ou des supraconducteurs. Pour l’industrie également, les faisceaux de muons devraient s’avérer intéressants, par exemple pour explorer les processus de charge et de décharge des batteries.
Même en histoire de l’art et en archéologie, ces avancées promettent de nouvelles opportunités pour radiographier des objets, des tableaux et des artefacts sans les détruire, ce qui permettrait de déterminer leur composition élémentaires, de révéler des couches cachées, d’identifier des contrefaçons ou encore de dater la création d’une œuvre d’art. Pour toutes ces raisons, le Musée national suisse et Augusta Raurica sont également partenaires du projet.
Dans l’ensemble, Muoniverse est une collaboration à large assise. Hormis le PSI en directeur et l’Université de Zurich en co-directrice de projet, il regroupe les partenaires suivants: les universités de Berne, de Fribourg et de Genève, l’ETH Zurich, l’EPF Lausanne, la Haute école de Lucerne, le programme artistique «artists-in-labs» de la Haute école des arts de Zurich, l’Empa, le Musée national suisse, Augusta Raurica, l’Institut pour l’étude de la neige et des avalanches SLF (membre du WSL) et le CERN. D’autres instituts internationaux de haut vol figurent également dans ce réseau de recherche élargi.
«Dans le cadre de Muoniverse, nous allons créer trois nouvelles chaires en collaboration avec l’Université de Zurich, annonce Marc Janoschek, directeur du Centre de recherche avec neutrons et muons au PSI, professeur à l’Université de Zurich et co-directeur de Muoniverse. Nous ancrerons ainsi durablement les thématiques interdisciplinaires de ce PRN en Suisse.»