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Muons Cosmiques

Muons atmosphériques, composante des rayons cosmiques

Les muons sont une composante du rayonnement cosmique. Lorsqu’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.

Le temps de vie moyen d’un muon est de 2 millionième de seconde. Ce temps de vie de 2 microsecondes parait très court, mais il est suffisant pour permettre de longs parcours dans l’atmosphère. En effet la plupart des muons cosmiques possèdent une grande énergie et circulent à des vitesses proche des 300 000 km/seconde, de la vitesse de la lumière dans le vide.

Le parcours moyen d’un muon de 1 GeV (1000 MeV) est en moyenne 6 km 87 dans l’atmosphère ; pour un muon de 10 GeV près de 63 km. Cet allongement des parcours avec l’énergie est dû à la dilatation du temps prédite par la théorie de la relativité d’Einstein. De plus, un muon qui va plus vite que la lumière dans l’air émet un éclair de lumière Cherenkov qui permet de le détecter.

Muons atmosphériques
Ce diagramme d’une gerbe cosmique met en évidence la production de muons (en rose). Un rayon cosmique primaire et plusieurs interactions secondaires conduisent à la production de mésons pi (en rouge). Après un parcours qui peut être long en raison de leur énergie élevée, ces mésons pi se désintègrent en un muon et un neutrino (en vert). La plupart des muons atteignent le niveau du sol. Certains se désintègrent en vol pour donner un électron (ou positron) et deux neutrinos.
© IN2P3 ©

Durant son parcours, le muon a peu de chance d’interagir. Il est 207 fois plus lourd que l’ électron dont il est le parent. Il est beaucoup moins sujet au rayonnement de freinage qui est la principale cause de ralentissement des électrons ou positons d’énergie similaire. Un muon voit les électrons des nuages atomiques qu’il traverse lors de son parcours comme de véritables poids plumes ! La perte d’énergie par ionisation est minimale.

Ayant survécu et peu interagi, les muons cosmiques voyagent loin et atteignent aisément le niveau du sol et y pénètrent. Certains peuvent être détectés à des profondeurs de 500 mètres, sites de certaines expériences. Ce sont les seules particules chargées à même d’y être observées.

L’essentiel du rayonnement cosmique parvenant au niveau de la mer est due aux muons, les autres particules (hormis les neutrinos) étant arrêtées ou absorbées par l’atmosphère. Au niveau de la mer, le flux de muons est d’environ 170 muons par m2 et par seconde, si bien que nous sommes traversés par une trentaine de muons par seconde. Chaque muon est accompagné de trois neutrinos pour lesquels nous sommes transparents.