En 1900, peu après la découverte de l’électron et de la radioactivité, Lord Kelvin a fait la célèbre remarque suivante :
Il n’y a rien de nouveau à découvrir en physique. Tout ce qui reste, ce sont des mesures de plus en plus précises
Il allait se révéler horriblement faux. La découverte du noyau, puis de ses constituants, le proton et le neutron, a révolutionné notre vision de ce dont le monde était fait. Notre compréhension du monde est passée du classique au quantique et, jusqu’en 1933, la mécanique quantique a connu de nombreux succès dans la description des observations expérimentales. Le point culminant est l’équation de Dirac, qui prédit l’existence de l’antimatière, confirmée peu après par la découverte de l’antiélectron (le positron). Cependant, l’autosatisfaction des physiciens est de courte durée. Dans les coulisses, tout ne va pas pour le mieux. La mécanique quantique peine à fournir une explication aux particules qui tombent du cosmos sur la Terre au rythme de 10 000 par minute et par m2. Un véritable who’s-who des sommités de la physique tentait de comprendre la nature de ces particules “cosmiques”. À l’époque, les seules particules connues étaient les électrons, les protons, les neutrons, les photons et les neutrinos (qui n’avaient pas encore été détectés directement). On a supposé que ces particules de rayons cosmiques arrivant sur la terre étaient des électrons.
Le problème avec cette hypothèse (erronée) était que les “électrons” qui pleuvaient sur la terre semblaient venir en deux variétés -1. ceux qui étaient facilement absorbés par des blocs de plomb et qui créaient une douche secondaire d’électrons, de positrons et de photons lorsqu’ils interagissaient avec le plomb et 2. ceux qui pénétraient les blocs de plomb avec aplomb.
Au début, la mécanique quantique n’avait aucune explication sur la raison pour laquelle les électrons devaient se comporter de l’une ou l’autre de ces manières, mais progressivement la théorie a été modifiée (notamment par Bethe, Carlson, Heitler et Oppenheimer). Ils ont trouvé un moyen de décrire le type 1 (l'”électron” qui se douchait dans le plomb) mais, hélas, ils n’ont pas eu la même chance de trouver une explication pour les particules pénétrantes de type 2. Les physiciens théoriques (qui avaient connu tant de succès jusque-là) sont désespérés. Oppenheimer, toujours prêt à ajouter un peu de gravité à la situation et qui préférait généralement son verre à moitié vide, écrit à son frère en 1934 :
Oppenheimer : La mécanique quantique alimentée par la nicotine
Comme vous le savez sans doute, la physique théorique – qu’il s’agisse des fantômes obsédants des neutrinos, de la conviction de Copenhague, contre toute évidence, que les rayons cosmiques sont des protons, de la théorie des champs absolument non quantifiable de Born, les difficultés de divergence avec le positron et l’impossibilité totale de faire un calcul rigoureux du tout – est dans un enfer
Vite, l’idée que les particules pénétrantes étaient des protons a été rejetée et la communauté des physiciens a été confrontée à un choix brutal : une nouvelle particule ou l’acceptation que la mécanique quantique était désespérément défectueuse. Pendant un temps (aujourd’hui commodément oublié), ils ont esquivé la question et ont commencé à parler sotto voce de la possibilité d'”électrons rouges et verts” – un type étant absorbé et l’autre pénétrant.
Heureusement, le développement inspiré de nouvelles techniques expérimentales par des équipes en Europe et aux États-Unis signifiait que les observations expérimentales des particules pénétrantes devenaient plus précises. Ces innovations expérimentales (combinées à de nouvelles percées dans la théorie) ont permis une interprétation qui a conduit à la vérité inéluctable : les particules pénétrantes étaient quelque chose comme un électron, mais significativement plus lourd.
La particule a reçu à l’origine le nom de “mésotron”. Comme c’est souvent le cas en science, il n’y a pas eu de “moment Eurêka” de découverte, mais l’émergence progressive d’un nouveau paradigme grâce au travail de nombreuses personnes, à la fois théorique et expérimental. Anderson a obtenu le crédit (ayant déjà obtenu un prix Nobel pour l’observation du positron, c’était probablement plus facile à vendre…) mais il y avait un nombre considérable de dramatis personae – Bethe, Heitler, Rossi, Neddermeyer, Street, Stevenson, Carlson et Oppenheimer – sans les contributions desquels le “mésotron” n’aurait pas été découvert. Le “mésotron” a rapidement été rebaptisé muon, et il est devenu évident que le muon n’était pas un électron rouge ou vert, car s’il s’agissait simplement d’un électron lourd ou plus énergétique, il devrait se désintégrer en un électron et un photon, ce qui n’a pas été observé. Le muon semblait être une particule distincte et c’est ainsi que le muon (après l’électron) a été la deuxième particule fondamentale (c’est-à-dire une particule qui ne semble pas être constituée d’autres particules) à être découverte. Sa découverte a donc annoncé le début de la physique des particules en tant que sujet.
Muons – Je n’ai rien ressenti.
Il y a plusieurs centaines de muons qui traversent votre tête chaque seconde minute. Heureusement, leur faible énergie (et leur masse élevée) les rend inoffensifs. Ces muons proviennent des collisions des rayons cosmiques (principalement des protons crachés par les étoiles) avec les atomes de notre haute atmosphère. Après leur découverte, on a observé que le nombre de ces muons diminuait au fur et à mesure que l’on se rapprochait de la Terre et la conclusion naturelle (et correcte) était qu’il ne s’agissait pas de particules stables comme l’électron, mais d’un phénomène de nuit (et de jour), et qu’ils se désintégraient en d’autres particules plus familières (électrons et neutrinos) en environ 2 millionièmes de seconde. À ce stade, la masse de l’électron était connue et les neutrinos étaient supposés être sans masse. En examinant la trajectoire et l’énergie de l’électron provenant de la désintégration du muon (ou en mesurant le temps nécessaire à la désintégration du muon), il est apparu clairement que le muon était un sacré morceau. Il pesait environ 200 fois la masse de l’électron.
Le muon n’est pas un grand impresario et possède un répertoire plutôt restreint mieux adapté peut-être à une apparition fugace dans X-factor. Au cours des 75 dernières années, nous l’avons observé faire seulement deux choses : interagir et produire un neutrino ou se désintégrer et produire un électron et deux neutrinos. Mais nous pensons que le muon aura le dernier mot et qu’il est plus qu’un simple poney à deux tours. Le muon a quelque chose dans sa manche qui nous aidera à comprendre la physique à des échelles d’énergie bien au-delà du LHC. Plus précisément, nous pensons qu’il révélera un nouveau type d’interaction fondamentale (en plus de celles que nous connaissons, à savoir les interactions électromagnétique, gravitationnelle et nucléaire faible et forte) qui peut aider à expliquer l’un des problèmes les plus anciens de la physique : comment la majorité de l’antimatière créée lors du Big Bang a-t-elle été amassée (ou vraisemblablement désamorcée de nos jours) au début de l’Univers, dans le temps qu’il faut pour faire une tasse de thé ?
Nous envisageons de produire un faisceau de muons d’une intensité inégalée pour observer ce nouveau type d’interaction (que je décrirai ultérieurement). En effet, après une période un peu creuse, c’est une époque passionnante pour être un muon et leurs propriétés pénétrantes et magnétiques sont exploitées pour toute une série d’applications au-delà de la physique des particules. Dans les années 1960, les muons ont été utilisés pour radiographier les pyramides à la recherche de chambres cachées. Les récents progrès réalisés dans le domaine des détecteurs de particules chargées ont permis d’utiliser les muons cosmiques pour obtenir des images précises de très grands volumes (conteneurs maritimes, véhicules de fret, gares, etc.) afin de détecter des bombes, des matières fissiles ou des objets qui font boum dans la nuit. Les muons sont utilisés pour étudier les propriétés de nouveaux matériaux composés susceptibles de fournir de nouveaux semi-conducteurs pour l’industrie électronique ou des supraconducteurs à température ambiante, avec une diversité d’applications allant des trains en lévitation (ce qui pourrait être délicat sur la Northern Line) à la transmission d’énergie sans perte. Récemment, un faisceau de muons produit dans l’installation britannique ISIS a été utilisé pour observer le phénomène de “magnétisme” dans la “glace de spin”, ce qui est potentiellement le premier pas vers une version magnétique de l’électronique.
Donc restez à l’écoute, le muon est un boudin mais ses 15 minutes de gloire sont proches.
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