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Le muon

Le muon est une particule élémentaire qui fait partie de la famille des leptons, au même titre que l'électron et le tau (et leurs neutrinos associés). On le décrit parfois comme un "cousin" ou une version plus lourde de l'électron. Comme l'électron, il porte une charge électrique élémentaire négative (-e) et possède un spin de 1/2, ce qui en fait un fermion. Il se distingue principalement de l'électron par sa masse, qui est significativement plus élevée : le muon est environ 207 fois plus lourd que l'électron. Il appartient à la deuxième génération de leptons, aux côtés du neutrino muonique (νμ).

Contrairement à l'électron qui est stable, le muon est une particule instable. Sa durée de vie moyenne est très courte à l'échelle des particules, de l'ordre de 2,2 microsecondes (µs). Il se désintègre principalement par l'intermédiaire de l'interaction faible. La désintégration d'un muon (μ⁻) produit typiquement un électron (e⁻), un neutrino électronique (νe) et un antineutrino muonique (νμ). Son antiparticule, l'antimuon (μ⁺), se désintègre quant à elle en un positron (e⁺), un antineutrino électronique (νe) et un neutrino muonique (νμ).

Les muons sont produits naturellement en grandes quantités lorsque les rayons cosmiques (des particules de haute énergie, principalement des protons, venant de l'espace) entrent en collision avec les noyaux des atomes dans la haute atmosphère terrestre. Ces collisions créent des hadrons instables comme les pions (π), qui se désintègrent ensuite très rapidement, principalement en muons et neutrinos muoniques.

Malgré leur courte durée de vie intrinsèque, une proportion significative de ces muons atmosphériques parvient à atteindre la surface de la Terre et même à pénétrer sous terre. Cela est une démonstration classique de la dilatation du temps prédite par la relativité restreinte : du point de vue du muon voyageant à une vitesse proche de celle de la lumière, sa durée de vie "propre" (au repos) est courte, mais du point de vue d'un observateur terrestre, sa durée de vie est étendue en raison de sa vitesse élevée, lui permettant de parcourir de grandes distances. Le muon a d'ailleurs été découvert en 1936 par Carl D. Anderson et Seth Neddermeyer, et indépendamment par Jabez Street et Edward Stevenson, lors d'études sur les rayons cosmiques. Il a d'abord été pris pour le pion, une particule prédite théoriquement, avant que ses propriétés distinctes, notamment sa faible interaction avec la matière et son mode de désintégration, ne soient élucidées. Des muons peuvent également être produits artificiellement dans les laboratoires équipés d'accélérateurs de particules en faisant entrer en collision des faisceaux de particules à haute énergie.

En tant que lepton chargé, le muon interagit principalement par l'intermédiaire de l'interaction électromagnétique (du fait de sa charge) et de l'interaction faible (responsable de sa désintégration). Il n'est pas sensible à l'interaction forte, qui lie les quarks au sein des protons et des neutrons.

Les muons sont des outils précieux en physique. Les muons atmosphériques sont utilisés dans une technique appelée muonographie (ou radiographie muonique) pour imager de grands objets ou structures (comme des volcans, des pyramides, des réacteurs nucléaires) en mesurant l'absorption différenciée des muons traversant la matière.

De plus, l'étude précise des propriétés du muon, comme son moment dipolaire magnétique anomal (le facteur g-2), est importante pour tester la validité du Modèle standard de la physique des particules et rechercher d'éventuels effets de "nouvelle physique" (particules ou interactions non encore découvertes) qui pourraient influencer légèrement le comportement du muon. Des études à ce sujet sont actuellement en cours au Fermilab (résultats attendus fin 2025).

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