La brève aventure des muons dans l’atmosphère

article de Fabrice Mottez
22 NOVEMBRE 2002

Effet Cherenkov produit par le passage d’un muon de haute énergie dans l’eau du détecteur Super-Kamiokande
Effet Cherenkov produit par le passage d’un muon de haute énergie dans l’eau du détecteur Super-Kamiokande

Super-Kamiokande/Tomasz Barszczak

Partout dans l’espace se promènent des particules élémentaires de haute énergie. Ce sont les rayons cosmiques. La majorité des rayons cosmiques sont des protons. Ils vont très vite, parfois bien plus vite que les particules produites dans les accélérateurs les plus sophistiqués.

Quand ils arrivent dans l’atmosphère, ils interagissent avec celle-ci et se désintègrent. Avons-nous des chances de mesurer des traces de l’existence des rayons cosmiques à la surface de la Terre?

Lorsqu’un proton d’origine cosmique pénètre dans l’atmosphère de la Terre, il interagit avec les noyaux des atomes qu’il trouve sur son chemin.

Ces interactions ont lieu par le biais de l’interaction forte, la force qui est également la cause de la cohésion des noyaux atomiques. Une grande variété de réactions nucléaires peut se produire.

En général, le proton disparaît, et des particules, dites secondaires, apparaissent. Les particules secondaires produites sont le plus souvent des pions. Certains pions ont une charge électrique et on devrait pouvoir les détecter. Mais les pions sont très instables : ils se désintègrent vite en paires de photons, ou bien en muons et en neutrinos.

Les neutrinos sont des particules discrètes qui n’ont pas de charge électrique, et ne sont pas sensibles aux interactions fortes. Les neutrinos sont très difficiles à détecter.

Les muons interagissent peu avec les noyaux des atomes (car ils ne sont pas sensibles à l’interaction forte), ils peuvent donc traverser d’importantes quantités de matière sans être désintégrés. Ils traversent assez librement l’atmosphère.

Les muons ont une charge électrique (ils sont sensibles aux forces électromagnétiques), ce qui les rend détectables. Mais pour qu’on puisse voir des muons, il faut qu’ils vivent assez longtemps pour avoir le temps d’arriver à la surface terrestre.

Un muon est-il stable ? Pas tant que ça. Un observateur immobile par rapport au muon n’aurait en moyenne que deux microsecondes (2 millionièmes de secondes) pour le contempler, avant qu’il se désintègre.

Une fois désintégré, il reste des électrons ou des positrons qui n’iront pas loin dans l’atmosphère, et des neutrinos quasiment indétectables.

Alors, devons admettre qu’aucune trace mesurable des rayons cosmiques ne parvient jusqu’à la surface de la Terre ? Que nenni !

Rappelez vous, les protons qui proviennent de l’espace ont des énergies très élevées. Les pions puis les muons qui sont produits par leur désintégration ont gardé une grande partie de cette énergie. Et comme ils sont moins lourds, à énergie identique, ils vont encore plus vite. En fait, leur vitesse est de l’ordre de 0,997 C, ils vont presque à la vitesse de la lumière.

Pour une vitesse de 0,997 C, le facteur relativiste de dilatation du temps, le gamma, vaut environ 20. Alors un événement qui est vécu en 2 microsecondes par le muon est vécu en 2 x 20 = 40 microsecondes par un observateur Terrestre. Ca n’est toujours pas bien long, mais comme le muon va presque à la vitesse de la lumière, ça lui laisse de temps de parcourir 12 kilomètres, c’est à dire de traverser une bonne partie de l’atmosphère.

Sans la dilatation du temps, le muon parcourrait moins d’un kilomètre avant d’être désintégré, et on n’en verrait pas à la surface de la Terre.

Les pions, d’où sont produits les muons vont aussi à une vitesse voisine de la lumière, mais leur durée de vie (chronométrée dans leur propre repère) est cent fois plus courte. Malgré la dilatation du temps, cela leur laisse à peine la possibilité de parcourir une centaine de mètres.

Les muons sont donc les particules issues des rayons cosmiques les plus couramment observées. L’atmosphère dense a une épaisseur que quelques dizaines de kilomètres.

Comme le muon « moyen » peut en parcourir douze, beaucoup de muons n’atteindront pas la surface de la Terre. Mais il en restera assez pour que nous puissions les détecter. Sans l’effet relativiste de la dilatation des durées, on n’observerait aucun des produits de désintégration des rayons cosmiques à la surface de la Terre.

Suite de cet article : Les rayons cosmiques en altitude (lien ci-dessous)

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