Un électron lourd présent dans le rayonnement cosmique
Cette particule a été observée pour la première fois en 1936 par les physiciens américains Carl Anderson, le découvreur de l’électron positif, et Seth Neddermeyer.
La nouvelle particule portait une charge électrique négative. Sa masse semblait intermédiaire entre celle d’un électron et celle d’un proton. Pour expliquer les interactions qui lient protons et neutrons dans les noyaux, les physiciens étaient alors à la recherche d’une particule de masse similaire prédite par le physicien japonais Hideki Yukawa. On prit donc tout d’abord la nouvelle particule pour le méson de Yukawa.
Ce dernier ne fut découvert qu’en 1947. Il fut appelé méson pi ou pion. La confusion dura une dizaine d’années. La particule découverte par Anderson et Neddermeyer n’interagissait pas avec les protons et les neutrons. De nature très différente, elle reçut alors le nom de muon.
La désintégration d’un méson pi génère un muon
Création d’un muon négatif à partir d’un méson pi. La désintégration d’un méson pi – sous l’effet des forces faibles est la principale source de muons négatifs. Constitué d’un quark et d’un antiquark, ce méson peut se transformer sous l’effet de ces forces durant des temps extraordinairement brefs dans un état intermédiaire appelé boson W. Durant l’une de ces transitions, le boson W a la faculté de donner naissance à un muon et un antineutrino mu. La combinaison de ces deux transformations provoque la disparition du méson pi.
© IN2P3
Le muon est considéré de nos jours comme un des corpuscules fondamentaux de la matière, à l’instar de l’électron, de son neutrino et des quarks de la matière nucléaire. Par son mode d’interaction avec la matière, il s’apparente à l’électron. Comme lui, il n’est pas soumis aux interactions fortes. Il possède un alter ego sans charge électrique, le neutrino-mu.
Contrairement à l’électron, le muon est instable. Sa durée de vie est en moyenne de 2,2 millionièmes de seconde. Il a les mêmes propriétés physiques que l’électron, mais avec une masse 207 fois plus grande (Son énergie de masse mc2 égale 105, 66 MeV). C’est pourquoi on l’appelle aussi électron lourd. Les muons négatifs sont notés μ-. L’antiparticule de ce dernier noté μ+, de charge électrique positive, apparait comme un positron lourd.
La source principale de muons est la désintégration de mésons pi chargés, les mésons de Yukawa. Ces mésons pi constitués d’un quark et d’un antiquarks ont une durée de l’ordre de quelques milliardièmes de seconde. Ils sont créés dans la haute atmosphère par des rayons cosmiques. Leurs désintégrations conduisent à des muons qui subissent ensuite à leur tour une désintégration.
La naissance et la mort des muons sont dues à deux désintégrations successives. Les forces à l’origine de l’apparition et de la disparition des muons sont de même nature que celles qui interviennent dans la radioactivité bêta des noyaux, ces forces que les physiciens appellent interactions faibles.
Ces forces faibles font intervenir une particule très lourde, appelée boson W. L’existence du boson W, longtemps resté une hypothèse, a été confirmée par une expérience au CERN en 1983. Le rôle du boson W, dans les désintégrations des mésons pi et muons est autorisé par la mécanique quantique à l’œuvre dans l’infiniment petit, en application du principe d’incertitude énoncé en 1927 par le physicien allemand Werner Heisenberg.
Désintégration d’un muon
Les muons négatifs sont instables et se désintègrent au bout de quelques microsecondes en un électron accompagné par 2 neutrinos. Dans un premier temps, le muon se transforme en neutrino-mu accompagné par un boson W. Cette transformation est autorisée transitoirement par le principe quantique d’incertitude. Pendant cet état le boson W peut se transformer en un électron et son antineutrino. La combinaison de ces deux transformation est énergétiquement permise. Elle permet la désintégration du muon.
© IN2P3
Muons atmosphériques
Les muons sont une composante du rayonnement cosmique. Quand une particule de très haute énergie en provenance de l’espace entre en collision avec un noyau de la haute atmosphère, elle produit une gerbe de particules qui interagissent à leur tour. Parmi ces particules secondaires, on trouve des mésons pi chargés de courte durée de vie qui se transforment en muons positifs ou négatifs.
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