→ Peut-on faire de la physique des particules en étudiant le rayonnement cosmique ?
→ La découverte du muon
→ A vous de mesurer !

 

*/ Peut-on faire de la physique des particules en étudiant le rayonnement cosmique ?

La réponse est oui !

Lorsque les particules qui constituent le rayonnement cosmique primaire (protons – 89 %, noyaux d’Hélium – 10%) rencontrent l’atmosphère terrestre, ils viennent percuter les atomes d’azote et d’oxygène qui la composent. Ces collisions à haute énergie donnent naissance à de nouvelles particules qui vont-elles mêmes heurter d’autres particules et ainsi de suite. Pour chaque particule du rayonnement cosmique primaire va ainsi se développer une gerbe cosmique dans l’atmosphère et donner naissance à une véritable pluie de particules détectables au sol. D’une certaine manière, le rayonnement cosmique joue le rôle d’accélérateur de particules « naturel » : des particules (rayonnement cosmique primaire) bombardent une cible (les noyaux atomiques d’azote et d’oxygène constituant l’atmosphère) dans diverses gammes d’énergie. Et comme pour un accélérateur de particules, l’étude des produits des collisions (ici le rayonnement cosmique secondaire) donnent des indices permettant de sonder la matière et de la caractériser.

Cascade de particules provoquée par un rayon cosmique incident, dans une chambre à brouillard. Les étages successifs sont des couches de plomb. Crédits : Fretter.

Les muons, qui constituent une part importante de ces particules détectables au sol (environ 60%), est une cible de choix à caractériser. C’est d’ailleurs en étudiant le rayonnement cosmique que le muon a été découvert.

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*/ La découverte du muon

Dans les années 1930, l’étude systématique du rayonnement cosmique associée au développement théorique de la physique quantique, donne naissance à la physique des particules. L’étude du rayonnement cosmique permet ainsi l’identification de nombreuses nouvelles particules (positron, muon, pion…). Ces découvertes ne prennent véritablement sens que lorsque le rôle joué par ces particules est parfaitement compris et intégré dans un cadre théorique cohérent. Pour cette raison, se développent parallèlement plusieurs expériences cherchant à caractériser ces particules (masse, charge, spin, durée de vie…) ainsi que les interactions entre elles.

Ainsi, la « découverte » du muon s’étale sur plusieurs années : identifié pour la première fois comme un « mésotron » (particule chargée intermédiaire entre l’électron et le proton, avec une masse de plus de 200 fois celle de l’électron et environ 5 fois plus léger que le proton) par C. Anderson en 1936, elle est d’abord interprétée comme une particule véhiculant l’interaction forte au sein du noyau mais les caractéristiques prédites ne correspondaient pas exactement aux mesures effectuées (elles différaient des autres mésons découverts) ; la véritable nature du muon (mu-méson) est comprise à la fin des années 1940 grâce notamment aux travaux menés par Cecil Powell et Giuseppe Occhialini sur les plaques d’émulsion photographiques permettant de visualiser les traces des rayons cosmiques ainsi que leur désintégration suite à des collisions. Ce travail leur permit d’identifier des traces caractéristiques mettant en évidence le pion se désintégrant notamment en muon qui lui-même se désintègre en neutrino et en électron. Pour l’anecdote, l’identification de ces traces caractéristiques a été réalisée pour la première fois sur des plaques montées au Pic du Midi en 1946.

Cliché d’une émulsion photographique pris par C. Powell en 1948 montrant la désintégration d’un pion cosmique (à gauche) en muon (au centre) puis en électron (à droite). Crédits : C. POWELL, P. FOWLER & D. PERKINS/SCIENCE PHOTO LIBRARY

 

Constituants élémentaires de la matière. Le muon est un lepton de la 2ème ligne (sous l’électron).
http://www.in2p3.fr/science_pour_tous/ressources_tout_public/3_expo_conf_posters.htm

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*/ A vous de mesurer !

Aujourd’hui, le muon est très bien caractérisé (masse, charge, spin…) mais intéressons-nous à sa durée de vie. Car contrairement à l’électron ou au proton par exemple qui sont des particules stables, le muon se désintègre au bout d’un certain temps en un électron et deux neutrinos. Pour chaque muon, ce processus est aléatoire et indépendant de son âge et de son histoire, mais à l’instar des décroissances radioactives, une mesure statistique sur une population de muons va permettre d’établir un temps caractéristique t1/2 (appelé demie-vie) au bout duquel une population initiale de muons est divisée par 2 ; ce temps est caractéristique d’une décroissance exponentielle.

Dans une décroissance temporelle exponentielle modélisée par A.e-t/τ, la demie-vie t1/2 est proportionnelle à la constante τ : t1/2 = τ.Ln2
τ est appelé temps caractéristique ou « vie moyenne ».

À vous donc de mesurer cette vie moyenne du muon !

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