Muon - Muon

Muon

L' ombre des rayons cosmiques de la Lune , telle qu'elle est observée dans les muons secondaires générés par les rayons cosmiques dans l'atmosphère, et détectée à 700 mètres sous terre, au détecteur Soudan 2
Composition	Particule élémentaire
Statistiques	Fermionique
Famille	Lepton
Génération	Seconde
Interactions	Gravité , Electromagnétique , Faible
symbole	??−
Antiparticule	Antimuon ( ??+ )
Découvert	Carl D. Anderson , Seth Neddermeyer (1936)
Masse	1,883 531 627 (42) × 10 −28  kg 105,658 3755 (23)  MeV/ c 2 0,113 428 9259 (25)  Da
Durée de vie moyenne	2,196 9811 (22) × 10 −6  s
Se décompose en	e− , ?? e, ?? ?? (Le plus commun)
Charge électrique	-1  e
Frais de couleur	Rien
Tournoyer	1/2
Isospin faible	LH : −1/2, HR : 0
Hypercharge faible	LH : -1, RH : -2

Le muon ( / m ju ɒ n / , à partir des grecques lettre mu (u) utilisée pour représenter) est une particule élémentaire similaire à l' électron , avec une charge électrique de -1  e et d' un spin de 1/2, mais avec une masse beaucoup plus importante. Il est classé comme un lepton . Comme pour les autres leptons, le muon n'est pas connu pour avoir une sous-structure, c'est-à-dire qu'on ne pense pas qu'il soit composé de particules plus simples.

Le muon est une particule subatomique instable avec une durée de vie moyenne de2,2  ms , beaucoup plus longtemps que beaucoup d' autres particules subatomiques. Comme pour la désintégration du neutron non élémentaire (avec une durée de vie d'environ 15 minutes), la désintégration du muon est lente (selon les normes subatomiques) car la désintégration n'est médiée que par l' interaction faible (plutôt que l' interaction forte plus puissante ou l'interaction électromagnétique ) , et parce que la différence de masse entre le muon et l'ensemble de ses produits de désintégration est faible, offrant peu de degrés de liberté cinétique pour la désintégration. La désintégration du muon produit presque toujours au moins trois particules, qui doivent comprendre un électron de la même charge que le muon et deux types de neutrinos .

Comme toutes les particules élémentaires, le muon a une antiparticule correspondante de charge opposée (+1  e ) mais de masse et de spin égaux : l' antimuon (appelé aussi muon positif ). Les muons sont notés
??⁻
et antimuons par
??⁺
. Autrefois, les muons étaient appelés " mésons mu " , mais ne sont pas classés comme mésons par les physiciens des particules modernes (voir § Histoire ), et ce nom n'est plus utilisé par la communauté des physiciens.

Les muons ont une masse de105,66  MeV/ c ² , soit environ 207 fois celui de l'électron, m _e . Plus précisément, c'est206.768 2830 (46)  m _e .

En raison de leur masse plus importante, les muons accélèrent plus lentement que les électrons dans les champs électromagnétiques et émettent moins de bremsstrahlung (rayonnement de décélération). Cela permet aux muons d'une énergie donnée de pénétrer beaucoup plus profondément dans la matière car la décélération des électrons et des muons est principalement due à la perte d'énergie par le mécanisme de Bremsstrahlung. Par exemple, les soi-disant « muons secondaires », créés par les rayons cosmiques frappant l'atmosphère, peuvent pénétrer dans l'atmosphère et atteindre la surface terrestre et même dans les mines profondes.

Comme les muons ont une masse et une énergie supérieures à l' énergie de désintégration de la radioactivité, ils ne sont pas produits par désintégration radioactive . Cependant, ils sont produits en grande quantité dans les interactions à haute énergie dans la matière normale, dans certaines expériences d' accélérateurs de particules avec des hadrons et dans les interactions des rayons cosmiques avec la matière. Ces interactions produisent généralement des mésons pi initialement, qui se désintègrent presque toujours en muons.

Comme pour les autres leptons chargés, le muon est associé à un neutrino muonique , noté
??
_??, qui diffère du neutrino électronique et participe à différentes réactions nucléaires.

Histoire

Les muons ont été découverts par Carl D. Anderson et Seth Neddermeyer à Caltech en 1936, alors qu'ils étudiaient le rayonnement cosmique . Anderson a remarqué des particules qui se courbaient différemment des électrons et d'autres particules connues lorsqu'elles étaient passées à travers un champ magnétique . Ils étaient chargés négativement mais courbés moins fortement que les électrons, mais plus fortement que les protons , pour des particules de même vitesse. On supposait que l'amplitude de leur charge électrique négative était égale à celle de l'électron, et donc pour tenir compte de la différence de courbure, on supposait que leur masse était supérieure à celle d'un électron mais inférieure à celle d'un proton. Ainsi Anderson a d'abord appelé la nouvelle particule un mésotron , en adoptant le préfixe méso- du mot grec pour "mi-". L'existence du muon a été confirmée en 1937 par JC Street et l' expérience de la chambre à brouillard d'EC Stevenson .

Une particule avec une masse dans la gamme des mésons avait été prédite avant la découverte de tout mésons, par le théoricien Hideki Yukawa :

Il semble naturel de modifier la théorie de Heisenberg et Fermi de la manière suivante. Le passage d'une particule lourde de l'état neutron à l'état proton ne s'accompagne pas toujours de l'émission de particules légères. La transition est parfois reprise par une autre particule lourde.

En raison de sa masse, on a d'abord pensé que le méson mu était la particule de Yukawa et certains scientifiques, dont Niels Bohr , l'ont à l'origine appelé le yukon. La particule prédite par Yukawa, le méson pi , a finalement été identifiée en 1947 (à nouveau à partir des interactions des rayons cosmiques), et s'est avérée différer du méson mu en ayant les propriétés d'une particule qui médie la force nucléaire .

Avec deux particules maintenant connues avec la masse intermédiaire, le terme plus général de méson a été adopté pour désigner une telle particule dans la plage de masse correcte entre les électrons et les nucléons. De plus, afin de différencier les deux types de mésons après la découverte du deuxième méson, la particule initiale du mésotron a été renommée méson mu (la lettre grecque μ [ mu ] correspond à m ) et le nouveau méson de 1947 (particule de Yukawa ) a été nommé le méson pi .

Comme plus de types de mésons ont été découverts plus tard dans des expériences d'accélérateur, il a finalement été constaté que le méson mu différait significativement non seulement du méson pi (d'environ la même masse), mais aussi de tous les autres types de mésons. La différence, en partie, était que les mésons mu n'interagissaient pas avec la force nucléaire , contrairement aux mésons pi (et devaient le faire, dans la théorie de Yukawa). Les mésons plus récents ont également montré des preuves de se comporter comme le méson pi dans les interactions nucléaires, mais pas comme le méson mu. De plus, les produits de désintégration du méson mu comprenaient à la fois un neutrino et un antineutrino , plutôt que l'un ou l'autre, comme cela a été observé dans la désintégration d'autres mésons chargés.

Dans l'éventuel modèle standard de physique des particules codifié dans les années 1970, tous les mésons autres que le méson mu étaient considérés comme des hadrons – c'est-à-dire des particules constituées de quarks – et donc soumis à la force nucléaire . Dans le modèle des quarks, un méson n'était plus défini par la masse (car certains avaient été découverts qui étaient très massifs - plus que des nucléons ), mais étaient plutôt des particules composées d'exactement deux quarks (un quark et un antiquark), contrairement aux baryons , qui sont définis comme des particules composées de trois quarks (les protons et les neutrons étaient les baryons les plus légers). Les mésons Mu, cependant, s'étaient révélés être des particules fondamentales (leptons) comme des électrons, sans structure en quarks. Ainsi, les « mésons » mu n'étaient pas du tout des mésons, dans le nouveau sens et l'utilisation du terme méson utilisé avec le modèle des quarks de la structure des particules.

Avec ce changement de définition, le terme mu meson a été abandonné et remplacé chaque fois que possible par le terme moderne muon , faisant du terme « mu meson » seulement une note de bas de page historique. Dans le nouveau modèle des quarks, d'autres types de mésons continuaient parfois d'être appelés dans une terminologie plus courte (par exemple, pion pour le méson pi), mais dans le cas du muon, il conservait le nom plus court et n'était plus jamais correctement appelé par les anciens. Terminologie du "méson mu".

La reconnaissance éventuelle du muon comme un simple « électron lourd », sans aucun rôle dans l'interaction nucléaire, semblait si incongrue et surprenante à l'époque, que le lauréat du prix Nobel I. I. Rabi a dit en plaisantant : « Qui a commandé ça ?

Dans l' expérience Rossi-Hall (1941), des muons ont été utilisés pour observer pour la première fois la dilatation du temps (ou, alternativement, la contraction de la longueur ) prédite par la relativité restreinte .

Sources de muons

Les muons arrivant à la surface de la Terre sont créés indirectement en tant que produits de désintégration des collisions de rayons cosmiques avec des particules de l'atmosphère terrestre.

Environ 10 000 muons atteignent chaque mètre carré de surface terrestre par minute ; ces particules chargées se forment en tant que sous-produits des rayons cosmiques entrant en collision avec des molécules dans la haute atmosphère. Voyageant à des vitesses relativistes, les muons peuvent pénétrer des dizaines de mètres dans les roches et autres matières avant de s'atténuer en raison de l'absorption ou de la déviation par d'autres atomes.

Lorsqu'un proton de rayon cosmique frappe des noyaux atomiques dans la haute atmosphère, des pions sont créés. Ceux-ci se désintègrent sur une distance relativement courte (mètres) en muons (leur produit de désintégration préféré) et en neutrinos muoniques . Les muons de ces rayons cosmiques de haute énergie continuent généralement à peu près dans la même direction que le proton d'origine, à une vitesse proche de la vitesse de la lumière . Bien que leur durée de vie sans effets relativistes permettrait une distance de demi-vie de seulement 456 mètres environ (2,197 µs × ln(2) × 0,9997 × c ) au plus (vu de la Terre) l' effet de dilatation du temps de la relativité restreinte (du point de vue de la Terre) permet aux muons secondaires des rayons cosmiques de survivre au vol vers la surface de la Terre, car dans le cadre terrestre, les muons ont une demi-vie plus longue en raison de leur vitesse. Du point de vue ( cadre inertiel ) du muon, en revanche, c'est l' effet de contraction de longueur de la relativité restreinte qui permet cette pénétration, puisque dans le cadre du muon sa durée de vie n'est pas affectée, mais la contraction de longueur provoque des distances à travers l'atmosphère et La Terre est beaucoup plus courte que ces distances dans le cadre de repos de la Terre. Les deux effets sont des moyens tout aussi valables d'expliquer la survie inhabituelle du muon rapide sur de longues distances.

Comme les muons pénètrent exceptionnellement la matière ordinaire, comme les neutrinos, ils sont également détectables en profondeur (700 mètres au détecteur Soudan 2 ) et sous l'eau, où ils constituent une partie importante du rayonnement ionisant naturel de fond. Comme les rayons cosmiques, comme indiqué, ce rayonnement secondaire des muons est également directionnel.

La même réaction nucléaire décrite ci-dessus (c'est-à-dire des impacts hadron-hadron pour produire des faisceaux de pions , qui se désintègrent ensuite rapidement en faisceaux de muons sur de courtes distances) est utilisée par les physiciens des particules pour produire des faisceaux de muons, comme le faisceau utilisé pour l' expérience muon g -2 .

Désintégration du muon

La désintégration la plus courante du muon

Les muons sont des particules élémentaires instables et sont plus lourds que les électrons et les neutrinos mais plus légers que toutes les autres particules de matière. Ils se désintègrent via l' interaction faible . Étant donné que les nombres de familles leptoniques sont conservés en l'absence d'une oscillation immédiate extrêmement improbable des neutrinos , l'un des neutrinos produits de la désintégration du muon doit être un neutrino de type muon et l'autre un antineutrino de type électron (la désintégration de l'antimuon produit les antiparticules correspondantes, comme détaillé au dessous de).

Comme la charge doit être conservée, l'un des produits de la désintégration du muon est toujours un électron de la même charge que le muon (un positron s'il s'agit d'un muon positif). Ainsi, tous les muons se désintègrent en au moins un électron et deux neutrinos. Parfois, en plus de ces produits nécessaires, d'autres particules supplémentaires qui n'ont pas de charge nette et de spin nul (par exemple, une paire de photons ou une paire électron-positon), sont produites.

Le mode dominant de désintégration du muon (parfois appelé désintégration de Michel d'après Louis Michel ) est le plus simple possible : le muon se désintègre en un électron, un antineutrino électronique et un neutrino muonique. Les antimuons, à la manière d'un miroir, se désintègrent le plus souvent en antiparticules correspondantes : un positon , un neutrino électronique et un antineutrino muonique. En termes de formules, ces deux désintégrations sont :

??⁻
→
e⁻
+
??
_e +
??
_??

??⁺
→
e⁺
+
??
_e +
??
_??

La durée de vie moyenne, τ = ħ / Γ muon, de la (positive) est(2,196 9811 ± 0,000 0022 )  uS . L'égalité des durées de vie du muon et de l'antimuon a été établie à mieux qu'une partie sur 10 ⁴ .

Décroissances interdites

Certains modes de désintégration sans neutrinos sont cinématiquement autorisés mais sont, à toutes fins utiles, interdits dans le modèle standard , même étant donné que les neutrinos ont une masse et oscillent. Les exemples interdits par la conservation de l'arôme lepton sont :

??⁻
→
e⁻
+
??

et

??⁻
→
e⁻
+
e⁺
+
e⁻
.

Pour être précis : dans le modèle standard avec masse de neutrinos, une désintégration comme
??⁻
→
e⁻
+
??
est techniquement possible, par exemple par neutrino oscillation d'un neutrino muonique virtuel dans un neutrino électronique, mais une telle décomposition est astronomiquement improbable et devrait donc être expérimentalement inobservable: Moins d'un 10 ⁵⁰ muon désintégrations devrait produire une telle décomposition.

L'observation de tels modes de décroissance constituerait une preuve claire pour les théories au-delà du modèle standard . Les limites supérieures des fractions de ramification de ces modes de désintégration ont été mesurées dans de nombreuses expériences commencées il y a plus de 50 ans. La limite supérieure actuelle de la
??⁺
→
e⁺
+
??
la fraction de ramification a été mesurée de 2009 à 2013 dans l' expérience MEG et est de 4,2 × 10 ⁻¹³ .

Taux de décroissance théorique

La largeur de désintégration du muon qui découle de la règle d'or de Fermi a une dimension d'énergie et doit être proportionnelle au carré de l'amplitude, et donc au carré de la constante de couplage de Fermi ( ), avec une dimension globale de la quatrième puissance inverse de l'énergie. Par analyse dimensionnelle, ce qui conduit à la règle de Sargent de la dépendance à la cinquième tension m _μ , ${\displaystyle G_{\text{F}}}$

${\displaystyle \Gamma ={\frac {G_{\text{F}}^{2}m_{\mu }^{5}}{192\pi ^{3}}}~I\left({\frac {m_{\text{e}}^{2}}{m_{\mu }^{2}}}\right),}$

où , et : ${\displaystyle I(x)=1-8x-12x^{2}\ln x+8x^{3}-x^{4}}$

${\displaystyle x={\frac {2},E_{\text{e}}}{m_{\mu }\,c^{2}}}}$ est la fraction de l'énergie maximale transmise à l'électron.

Les distributions de désintégration de l'électron dans les désintégrations du muon ont été paramétrées à l'aide des paramètres dits de Michel . Les valeurs de ces quatre paramètres sont prédites sans ambiguïté dans le modèle standard de la physique des particules , ainsi les désintégrations du muon représentent un bon test de la structure spatio-temporelle de l' interaction faible . Aucun écart par rapport aux prévisions du modèle standard n'a encore été trouvé.

Pour la désintégration du muon, la distribution de désintégration attendue pour les valeurs du modèle standard des paramètres de Michel est

${\displaystyle {\frac {\operatorname {d} ^{2}\Gamma }{\operatorname {d} x\,\operatorname {d} \cos \theta }}\sim x^{2}[(3- 2x)+P_{\mu }\cos \theta \,(1-2x)]}$

où est l'angle entre le vecteur de polarisation du muon et le vecteur moment de désintégration de l'électron, et est la fraction de muons qui sont polarisés vers l'avant. L'intégration de cette expression sur l'énergie des électrons donne la distribution angulaire des électrons filles : ${\displaystyle \theta }$${\displaystyle \mathbf {P} _{\mu }}$${\displaystyle P_{\mu }=|\mathbf {P} _{\mu }|}$

${\displaystyle {\frac {\operatorname {d} \Gamma }{\operatorname {d} \cos \theta }}\sim 1-{\frac {1}{3}}P_{\mu }\cos \theta .}$

La distribution d'énergie des électrons intégrée sur l'angle polaire (valable pour ) est ${\style d'affichage x<1}$

${\displaystyle {\frac {\operatorname {d} \Gamma }{\operatorname {d} x}}\sim (3x^{2}-2x^{3}).}$

Parce que la direction dans laquelle l'électron est émis (un vecteur polaire) est préférentiellement alignée en face du spin du muon (un vecteur axial ), la désintégration est un exemple de non-conservation de la parité par l'interaction faible. Il s'agit essentiellement de la même signature expérimentale que celle utilisée par la démonstration originale . Plus généralement dans le modèle standard, tous les leptons chargés se désintègrent via l'interaction faible et violent également la symétrie de parité.

Atomes muoniques

Le muon a été la première particule élémentaire découverte qui n'apparaît pas dans les atomes ordinaires .

Atomes de muons négatifs

Les muons négatifs peuvent cependant former des atomes muoniques (auparavant appelés atomes mu-mésiques), en remplaçant un électron dans les atomes ordinaires. Les atomes d'hydrogène muoniques sont beaucoup plus petits que les atomes d'hydrogène typiques parce que la masse beaucoup plus grande du muon lui confère une fonction d' onde à l' état fondamental beaucoup plus localisée que celle observée pour l'électron. Dans les atomes à plusieurs électrons, lorsqu'un seul des électrons est remplacé par un muon, la taille de l'atome continue d'être déterminée par les autres électrons et la taille atomique est pratiquement inchangée. Cependant, dans de tels cas, l'orbitale du muon continue d'être plus petite et beaucoup plus proche du noyau que les orbitales atomiques des électrons.

L' hélium muonique est créé en substituant un muon à l'un des électrons de l'hélium-4. Le muon orbite beaucoup plus près du noyau, donc l'hélium muonique peut donc être considéré comme un isotope de l'hélium dont le noyau est constitué de deux neutrons, deux protons et un muon, avec un seul électron à l'extérieur. Familièrement, on pourrait l'appeler « hélium 4.1 », puisque la masse du muon est légèrement supérieure à 0,1 amu . Chimiquement, l'hélium muonique, possédant un électron de valence non apparié , peut se lier à d'autres atomes et se comporte plus comme un atome d'hydrogène que comme un atome d'hélium inerte.

Les atomes d'hydrogène lourds muoniques avec un muon négatif peuvent subir une fusion nucléaire dans le processus de fusion catalysée par muon , après que le muon puisse quitter le nouvel atome pour induire la fusion dans une autre molécule d'hydrogène. Ce processus se poursuit jusqu'à ce que le muon négatif soit capturé par un noyau d'hélium et ne puisse s'échapper tant qu'il ne se désintègre pas.

Les muons négatifs liés aux atomes conventionnels peuvent être capturés ( capture de muons ) par la force faible des protons dans les noyaux, dans une sorte de processus de type capture d'électrons. Lorsque cela se produit, il en résulte une transmutation nucléaire : le proton devient un neutron et un neutrino muon est émis.

Atomes de muons positifs

Un muon positif , lorsqu'il est arrêté dans la matière ordinaire, ne peut pas être capturé par un proton puisque les deux charges positives ne peuvent que se repousser. Le muon positif n'est pas non plus attiré par le noyau des atomes. Au lieu de cela, il se lie à un électron aléatoire et avec cet électron forme un atome exotique connu sous le nom d'atome de muonium (mu). Dans cet atome, le muon agit comme le noyau. Le muon positif, dans ce contexte, peut être considéré comme un pseudo-isotope de l'hydrogène avec un neuvième de la masse du proton. Parce que la masse de l'électron est beaucoup plus petite que la masse du proton et du muon, la masse réduite du muonium, et donc son rayon de Bohr , est très proche de celle de l' hydrogène . Par conséquent, cette paire muon-électron liée peut être traitée en première approximation comme un "atome" à courte durée de vie qui se comporte chimiquement comme les isotopes de l'hydrogène ( protium , deutérium et tritium ).

Les muons positifs et négatifs peuvent faire partie d'un atome pi-mu de courte durée constitué d'un muon et d'un pion de charge opposée. Ces atomes ont été observés dans les années 1970 lors d'expériences à Brookhaven et au Fermilab.

Utilisation dans la mesure du rayon de charge du proton

La technique expérimentale qui devrait fournir la détermination la plus précise du rayon de charge quadratique moyen du proton est la mesure de la fréquence des photons (précise "couleur" de la lumière) émis ou absorbés par les transitions atomiques dans l'hydrogène muonique . Cette forme d'atome d'hydrogène est composée d'un muon chargé négativement lié à un proton. Le muon est particulièrement bien adapté à cette fin car sa masse beaucoup plus importante se traduit par un état lié beaucoup plus compact et donc une plus grande probabilité qu'il se trouve à l'intérieur du proton dans l'hydrogène muonique par rapport à l'électron dans l'hydrogène atomique. Le déplacement de Lamb dans l'hydrogène muonique a été mesuré en faisant passer le muon d'un état 2 s à un état excité 2 p à l'aide d'un laser. La fréquence des photons nécessaires pour induire deux de ces transitions (légèrement différentes) a été signalée en 2014 comme étant de 50 et 55 THz, ce qui, selon les théories actuelles de l'électrodynamique quantique , donne une valeur moyenne appropriée de0,840 87 ± 0,000 39  fm pour le rayon de charge du proton.

La valeur internationalement acceptée du rayon de charge du proton est basée sur une moyenne appropriée des résultats de mesures plus anciennes des effets causés par la taille non nulle du proton sur la diffusion des électrons par les noyaux et le spectre lumineux (énergies photoniques) de l'hydrogène atomique excité. La valeur officielle mise à jour en 2014 est0,8751 ± 0,0061  fm (voir ordres de grandeur pour comparaison avec d'autres tailles). La précision attendue de ce résultat est inférieur à celui de l' hydrogène muonique d'un facteur de quinze ans, mais ils sont en désaccord d'environ 5,6 fois l'incertitude nominale de la différence (un écart appelé 5,6  σ en notation scientifique). Une conférence des experts mondiaux sur ce sujet a conduit à la décision d'exclure le résultat du muon d'influencer la valeur officielle de 2014, afin d'éviter de cacher la mystérieuse divergence. Ce « casse-tête du rayon du proton » n'était toujours pas résolu à la fin de 2015 et a attiré beaucoup d'attention, en partie à cause de la possibilité que les deux mesures soient valides, ce qui impliquerait l'influence d'une « nouvelle physique ».

Moment dipolaire magnétique anormal

Le moment dipolaire magnétique anormal est la différence entre la valeur observée expérimentalement du moment dipolaire magnétique et la valeur théorique prédite par l' équation de Dirac . La mesure et la prédiction de cette valeur est très importante dans les tests de précision de QED ( électrodynamique quantique ). L'expérience E821 au Brookhaven National Laboratory (BNL) et l' expérience Muon g-2 au Fermilab ont étudié la précession du spin du muon dans un champ magnétique externe constant alors que les muons circulaient dans un anneau de stockage confiné. La collaboration Muon g-2 a rapporté en 2021 :

${\displaystyle a={\frac {g-2}{2}}=0.00116592061(41)}$.

La prédiction de la valeur du moment magnétique anormal du muon comprend trois parties :

a _μ ^SM = a _μ ^QED + a _μ ^EW + a _μ ^had .

La différence entre les facteurs g du muon et de l'électron est due à leur différence de masse. En raison de la masse plus importante du muon, les contributions au calcul théorique de son moment dipolaire magnétique anormal à partir des interactions faibles du modèle standard et des contributions impliquant des hadrons sont importantes au niveau de précision actuel, alors que ces effets ne sont pas importants pour l'électron. Le moment dipolaire magnétique anormal du muon est également sensible aux contributions de la nouvelle physique au-delà du modèle standard , comme la supersymétrie . Pour cette raison, le moment magnétique anormal du muon est normalement utilisé comme sonde pour une nouvelle physique au-delà du modèle standard plutôt que comme test de QED. Muon  g −2 , une nouvelle expérience au Fermilab utilisant l'aimant E821 a amélioré la précision de cette mesure.

En 2020, une équipe internationale de 170 physiciens a calculé la prédiction la plus précise de la valeur théorique du moment magnétique anormal du muon.

Moment dipolaire électrique

La limite expérimentale actuelle sur le moment dipolaire électrique du muon | d _u | < 1,9 × 10 ⁻¹⁹  e·cm défini par l'expérience E821 au laboratoire de Brookhaven, est des ordres de grandeur au-dessus de la prédiction du modèle standard. L'observation d'un moment dipolaire électrique muon non nul constituerait une source supplémentaire de violation de CP . Une amélioration de la sensibilité de deux ordres de grandeur par rapport à la limite de Brookhaven est attendue des expériences au Fermilab.

Radiographie et tomographie des muons

Étant donné que les muons pénètrent beaucoup plus profondément que les rayons X ou les rayons gamma , l'imagerie des muons peut être utilisée avec des matériaux beaucoup plus épais ou, avec des sources de rayons cosmiques, des objets plus gros. Un exemple est la tomographie au muon commerciale utilisée pour imager des conteneurs de fret entiers afin de détecter des matières nucléaires protégées , ainsi que des explosifs ou d'autres produits de contrebande.

La technique de radiographie par transmission de muons basée sur des sources de rayons cosmiques a été utilisée pour la première fois dans les années 1950 pour mesurer la profondeur des morts - terrains d'un tunnel en Australie et dans les années 1960 pour rechercher d'éventuelles chambres cachées dans la pyramide de Khéphren à Gizeh . En 2017, la découverte d'un grand vide (d'une longueur de 30 mètres minimum) par observation de muons à rayons cosmiques a été signalée.

En 2003, les scientifiques du Laboratoire national de Los Alamos ont développé une nouvelle technique d'imagerie : la tomographie par diffusion de muons . Avec la tomographie par diffusion de muons, les trajectoires entrantes et sortantes de chaque particule sont reconstruites, comme avec des tubes à dérive en aluminium scellés . Depuis le développement de cette technique, plusieurs entreprises ont commencé à l'utiliser.

En août 2014, Decision Sciences International Corporation a annoncé qu'elle avait obtenu un contrat de Toshiba pour l'utilisation de ses détecteurs de suivi de muons dans la remise en état du complexe nucléaire de Fukushima . Le Fukushima Daiichi Tracker (FDT) a été proposé pour effectuer quelques mois de mesures de muons afin de montrer la répartition des cœurs de réacteurs.

En décembre 2014, Tepco a annoncé qu'elle utiliserait deux techniques différentes d'imagerie du muon à Fukushima, la « méthode de balayage des muons » sur l'unité 1 (la plus gravement endommagée, où le combustible peut avoir quitté la cuve du réacteur) et la « méthode de diffusion des muons » sur Unité 2.

L'Institut international de recherche pour le déclassement nucléaire IRID au Japon et l'Organisation de recherche sur les accélérateurs de haute énergie KEK appellent la méthode qu'ils ont développée pour l'unité 1 la méthode de perméation des muons ; 1200 fibres optiques pour la conversion de longueur d'onde s'allument lorsque les muons entrent en contact avec elles. Après un mois de collecte de données, on espère révéler l'emplacement et la quantité de débris de combustible encore à l'intérieur du réacteur. Les mesures ont commencé en février 2015.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes

• Médias liés aux muons sur Wikimedia Commons
• NASA Astronomy Picture of the Day : Moment magnétique anormal et supersymétrie du muon (28 août 2005)
• "expérience g-2" . moment magnétique anormal du muon
• "expérience muLan" . Archivé de l'original le 2 septembre 2006. Mesure de la durée de vie du muon positif
• "L'examen de la physique des particules" .
• "Le test de symétrie d'interaction faible TRIUMF" .
• "L'expérience MEG" . Archivé de l'original le 25 mars 2002. Recherche de la désintégration Muon → Positron + Gamma
• Roi, Philippe. "Fabriquer des muons" . Sciences des coulisses . Brady Haran .