Muon : qu'est-ce que c'est ?

Notés par le symbole μ^-, les muons sont des particules élémentaires appartenant au modèle standard de la physique des particules. Ce dernier, développé au XX^e siècle, permet de classer toutes les particules subatomiques connues, avec les trois interactions ayant un effet à l'échelle des particules. Dans ce modèle, plusieurs groupes de particules existent : les muons font partie des leptons. De ce fait, ils ne sont pas sensibles à l'interaction nucléaire forte, qui affecte seulement les quarks et les particules constituées de quarks (les hadronshadrons).

Les muons ont presque les mêmes propriétés que les électrons

Ils sont définis par leurs propriétés intrinsèques : un spinspin d'1/2, une propriété quantique, qui ne peut prendre que des valeurs entières ou demi-entières. Ainsi, avec un spin d'1/2, les muons appartiennent à la classe des fermionsfermions. Ils se caractérisent aussi par leur massemasse, exprimée en MeV/c² comme pour toutes les particules élémentaires, d'une valeur de 105,66 MeV/c², ce qui leur confère parfois le surnom d'électronsélectrons lourds. Car, mis à part leur masse, les muons possèdent les mêmes propriétés que les électrons. Ils sont donc chargés négativement.

Découverts par deux physiciensphysiciens de Caltech (California Institute of Technology)) en 1936, ils ont été repérés par leur trajectoire : différente de celle des particules déjà connues, notamment les protonsprotons et les neutronsneutrons, elle témoignait d'une plus grande masse que l'électron mais d'une même charge électrique ! Les muons sont produits indirectement par les rayons cosmiquesrayons cosmiques : lorsque les particules chargées venant du SoleilSoleil arrivent sur Terre, elles entrent en collision avec les atomesatomes de la haute atmosphèreatmosphère. Ces collisions produisent des pions, des particules non élémentaires composées d'un quark et d'un antiquark. Et lorsque les pions chargés se désintègrent, ils émettent des muons ! 

Les rayons cosmiques créent des particules en cascade : le pion, à l'origine du muon, est noté π (pi) puis ^{0  1 -1} selon la charge qu'il porte. © Cern

Les muons permettent scanner des monuments

Une fois créés, les muons ont une faible duréedurée de vie, de l'ordre de deux microsecondes. À la suite de cela, ils se désintègrent souvent en un électron, un neutrinoneutrino et un antineutrino. Ils interagissent très peu avec l'atmosphère et avancent à une vitessevitesse proche de celle de la lumièrelumière, ainsi ils ont le temps pendant leur durée de vie d'effectuer de très grands trajets ! Émis en grande quantité, telle « qu'un volumevolume équivalent à la tête d'une personne est traversé chaque seconde par un muon », explique le Cern, ils permettent grâce à des techniques de tomographietomographie muonique, de cartographier la matièrematière qu'ils traversent.

En effet, comme on connait le volume de muons censé arriver sur un détecteur, la différence avec ce qui est directement mesuré permet d'en déduire la quantité de matière traversée par ces particules. Ces techniques ont notamment permis de connaitre l'intérieur de la pyramide de Khéops : avec des détecteurs à muons placés tout autour de la pyramide, des chercheurs ont pu connaitre son architecture interne !