SuperSUN – une nouvelle source de neutrons ultra froids à haute densité – SuperSUN

Les neutrons ultra-froids (UCN pour Ultra Cold Neutron) ont un rôle important en physique des particules aux basses énergies, appelés physique de haute précision, domaine complémentaire des expériences menées dans les accélérateurs de particules à haute énergie. Les UCN sont si lents qu'ils peuvent être stockés dans des bouteilles ou dans un champ magnétique, propriété qui se révèle être cruciale pour les mesures de très grandes précisions. Ces expériences fournissent des valeurs d'observable important pour la physique des particules jusqu'à la cosmologie, et aussi des tests exigeants du Modèle Standard de la physique des particules. Un bon exemple est la recherche de la valeur non nulle du moment électrique dipolaire du neutron (EDM). Celle-ci recherche un signe de la violation de la symétrie CP et apporterait une pièce au puzzle de l'asymétrie matière-antimatière. Un autre exemple est la mesure du temps de vie du neutron, qui impacte les calculs d'abondance des éléments chimiques légers lors de la nucléosynthèse primordiale. Ou encore les expériences pour tester la gravitation à courtes distances, de l'ordre du micromètre, afin de tester les scénarios de dimensions supplémentaires. Ceux-ci pourraient expliquer pourquoi la gravitation est beaucoup plus faible que, par exemple, la force électrostatique. D'autres expériences sur l'invariance de Lorentz, la matière sombre et les effets de mécaniques quantique peuvent être très bien étudiées avec les neutrons très lents.

Actuellement les meilleures sources UCN fournissent des densités de l'ordre de quelques dizaines de neutrons par centimètre cube. Cette faible densité bride le taux de comptage de beaucoup d'expérience. SuperSUN est un nouveau type de source UCN développé dans le but d’ayant un impact fort pour les expériences de physique fondamentale, permettant de piéger des UCN avec des statistiques de comptage largement améliorées et même l'émergence d'expérience impossible à faire à ce jour. La production d'UCN est basée sur la conversion, très bien connue, des neutrons froids en ultra-froids grâce à la diffusion inélastique dans l'hélium superfluide. La nouveauté et l'élément clef de SuperSUN est le réflecteur magnétique multipolaire. Il va radicalement augmenter la densité d'UCN par rapport à une source prototype existante. Le réflecteur repousse les UCN ayant un spin opposé au champ magnétique, ce qui réduit fortement les pertes par collisions avec les murs du volume de conversion. Cette source va donc drastiquement augmenter le temps de stockage des UCN dans le piège. Elle fournira alors des UCN complètement polarisés avec une densité au delà de 1000 par cm3, pour les dimensions proposées de 3 m de long avec un volume de 22 litres. Ces caractéristiques sont celles requises pour une mesure du temps de vie du neutron par piégeage magnétique ou pour remplir des cellules de Ramsey pour plusieurs projets de recherche de l'EDM du neutron. Aussi des récentes expériences sur la gravitation à petite distance bénéficieront fortement de ce développement.

Ce projet prend appuie, d'une part, sur l'expérience que le postulant a gagné dans les développements qu'il a mené sur les prototypes de sources UCN à hélium superfluide. Ce qui a récemment conduit au record du monde de densité d'UCN, dépassant les 120 par cm3. D'autre part, il s'appuie sur l'infrastructure existante à l'ILL sur les UCN, référence mondiale du domaine, et sur l'expertise de notre collaborateur de Munich sur les technologies de dépôts de couche minces. Le projet SuperSUN a déjà été évalué par un comité d'experts sur l'instrumentation des neutrons, n'appartenant pas à l'ILL, qui y a vu un fort intérêt scientifique. Le conseil scientifique de l'ILL a alors demandé à la direction de trouver des fonds pour SuperSUN. Le support de l'ANR permettrait de démarrer immédiatement la réalisation. L'ILL a financé et fournira le faisceau de neutron déjà optimisé pour ce projet dès que le financement sera disponible.