Muons cosmiques

Chaque seconde, une centaine de muons environ frappent un mètre carré de la surface terrestre. Ils traversent les toits, les murs et les êtres humains sans que personne s'en aperçoive. Les muons sont la partie la plus facilement mesurable du rayonnement cosmique — et l'une des quatre contributions regroupées dans l'équation maîtresse sous le flux effectif.

D'où ils viennent

Des protons et des noyaux atomiques de haute énergie venus de l'espace frappent, à quelque 15 kilomètres d'altitude, des noyaux d'azote et d'oxygène de l'atmosphère. De ces collisions naissent des cascades de nouvelles particules — les gerbes atmosphériques. Une grande partie en sont des pions, qui se désintègrent en muons et en neutrinos en quelques fractions de millionième de seconde.

De toutes les particules chargées de ces gerbes, presque seuls les muons atteignent le sol. Le reste est absorbé auparavant.

Une particule qui ne devrait pas arriver

Les muons vivent en moyenne 2,2 microsecondes. Même à la vitesse de la lumière, un muon ne parcourrait pendant ce temps qu'environ 660 mètres — l'atmosphère est vingt fois plus épaisse. Selon le calcul classique, pratiquement aucun ne devrait atteindre le sol.

Ils l'atteignent pourtant, et en grand nombre. La raison en est la dilatation du temps de la relativité restreinte : du point de vue du muon, la distance est raccourcie ; du point de vue du sol, son horloge interne s'écoule plus lentement. Le flux de muons au niveau de la mer est ainsi l'une des plus belles preuves quotidiennes de la théorie d'Einstein — chaque seconde, partout, des millions de fois.

Combien ils sont

Le Particle Data Group indique pour le niveau de la mer environ 10² muons par mètre carré et par seconde — soit à peu près un par centimètre carré et par minute. L'énergie moyenne se situe autour de 4 GeV.

Le flux n'est pas le même partout, et cela d'une manière agréablement compréhensible : il augmente nettement avec l'altitude, parce qu'il y a moins d'atmosphère au-dessus de soi, et il dépend faiblement de la latitude géographique, parce que le champ magnétique terrestre dévie les particules primaires incidentes. Qui calcule avec ce flux peut donc le poser en fonction du lieu — et il se laisse mesurer soi-même avec des détecteurs relativement simples.

La différence avec les neutrinos

Les muons portent une charge électrique et interagissent par voie électromagnétique. Ils cèdent de l'énergie en ionisant la matière sur leur chemin — ce que décrit la perte d'énergie par unité de longueur, dE/dx. Un muon isolé laisse de ce fait un signal nettement plus grand qu'un neutrino, dont la section efficace est plus petite de nombreux ordres de grandeur.

En revanche, le flux de neutrinos est bien plus dense et parfaitement régulier dans le temps, alors que le flux de muons varie avec la météo, l'altitude et l'activité solaire. Les deux contributions se complètent donc : l'une forte et fluctuante, l'autre faible et fiable.

Applications au-delà de la recherche fondamentale

Les muons sont depuis longtemps un outil. La muographie permet de sonder des objets qu'aucun appareil de radiographie ne peut saisir : en 2017, une équipe a ainsi découvert une cavité jusque-là inconnue dans la pyramide de Khéops. Les volcanologues déterminent avec eux la répartition de la densité à l'intérieur de volcans actifs, et au Japon le procédé a été utilisé pour regarder à l'intérieur des tranches de réacteur détruites de Fukushima.

Qu'une particule découverte il y a seulement quatre-vingt-dix ans permette aujourd'hui de sonder des pyramides en dit long sur le rythme de ce domaine.

Notions liées

• L'équation maîtresse — le flux de muons y est l'une des quatre contributions
• Section efficace — pourquoi les muons interagissent plus fortement que les neutrinos
• Oscillation des neutrinos — muons et neutrinos naissent ensemble dans la gerbe atmosphérique
• Neutrinovoltaïque — l'approche qui entend utiliser les deux flux

Sources

• Particle Data Group : Review of Particle Physics — Cosmic Rays (2022).
• K. Morishima et al. : Discovery of a big void in Khufu's Pyramid by observation of cosmic-ray muons. Nature 552, 386–390 (2017).
• H. Tanaka et al. : travaux sur la muographie des volcans, Earth and Planetary Science Letters, à partir de 2007.