Voir la source de Muon


{{Infobox Particule
| nom=Muon
| légende = Chambre à muons du [[CERN]].
| composition=''Élémentaire''
| classification=[[Fermion]]
| groupe=[[Lepton]]
| antiparticule=[[Antimuon]]
| symbole=μ<sup>−</sup>
| génération=2{{e}}
| interactions=[[Gravité]], [[Force électromagnétique|électromagnétique]], [[Interaction faible|faible]]
| masse=105,66 [[Électron-volt|MeV]].[[Vitesse de la lumière|c]]<sup>-2</sup><br /><small>(1,88×10<sup>-28</sup> [[Kilogramme|kg]])</small>
| charge électrique=-1,60217653(14)×10<sup>-19</sup> [[Coulomb (unité)|C]]
| spin=½
| charge de couleur=0
| durée de vie=2,2 [[microseconde|μs]] ({{unité|2,2 e-6 s}})
| découverte=[[Carl D. Anderson]], [[1936]]
}}

Le '''muon''' est, selon le [[modèle standard (physique)|modèle standard]] de la [[physique des particules]], une [[particule élémentaire]] de [[charge électrique]] négative, instable. Le muon a pour [[spin]] 1/2 et a les mêmes propriétés physiques que l'[[électron]], mis à part sa [[masse]], 207 fois plus grande ({{nobr|105,66 [[méga|M]][[Électronvolt#Unité de masse|eV/''c''{{2}}]]}}, c'est pour cela qu'on l'appelle parfois « électron lourd »<ref>[http://www.laradioactivite.com/site/pages/Muon.htm Muons sur LaRadioactivite.com]</ref>). Les muons sont des [[fermion]]s de la famille des [[lepton]]s, comme les électrons et les [[Tau (particule)|taus]]. Les muons sont notés μ<sup>−</sup>. L'[[antimuon]], l'[[antiparticule]] associée au muon, est notée μ<sup>+</sup> et est chargée positivement.

Sur [[Terre]], les muons sont produits par la désintégration de [[pion (particule)|pions]] chargés. Les pions sont créés dans la haute atmosphère par l'action des [[rayonnement cosmique|rayons cosmiques]]. Les muons ont une durée de vie faible (environ deux microsecondes). Cependant, les muons ont une grande énergie, ainsi l'effet de dilatation temporelle décrite par la [[relativité restreinte]] les rend observables à la surface de la Terre.

Tout comme il existe un [[neutrino électronique]] associé à l'électron, il existe un [[neutrino muonique]] qui est associé au muon. Les neutrinos muoniques sont notés ν<sub>μ</sub>.

Les muons positifs peuvent s'associer avec un électron pour former une particule appelée le [[muonium]], ou μ<sup>+</sup>e<sup>–</sup>. À cause de la différence de masse entre le muon et l'électron, le muonium ressemble plus à un [[atome]] d'[[hydrogène]] que le [[positronium]], association d'un positron avec un électron.

La masse du muon est voisine de celle du [[Pion (particule)|pion]], mais toutefois un peu plus faible.

== Classification ==
Le muon trouve sa place dans le tableau récapitulatif suivant.

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="4" align="center"
|-----
! rowspan="2" | &nbsp;
! colspan="4" align="center" | Fermions élémentaires
! colspan="5" align="center" | Fermions composés 
|-----
! colspan="2" align="center" | Quarks
! colspan="2" align="center" | Leptons
! colspan="2" align="center" | Nucléons
! colspan="3" align="center" | Hypérons
|-----
! Charge
! align="center" | −1/3
! align="center" | +2/3
! align="center" | −1
! align="center" | 0
! align="center" | +1
! align="center" | 0
! align="center" | −1
! align="center" | 0
! align="center" | +1
|-----
| stable || [[quark down|down]] || [[quark up|up]] || [[électron]] || [[neutrino électronique]] <br /> [[neutrino|neutrino muonique]] <br /> [[neutrino|neutrino taunique]] 
|| [[proton]] || [[neutron]] || colspan="3" | &nbsp;
|-----
| instable || [[quark étrange|étrange]] <br /> [[quark bottom|bottom]] || [[quark charmé|charmé]] <br /> [[quark top|top]] || muon <br /> [[Tau (particule)|tau]] ||  || &nbsp; || &nbsp; || Sigma - <br /> Ksi - <br /> Oméga -|| Sigma 0 <br /> Ksi 0 <br /> Lambda 0|| rowspan="2" | Sigma + <br /><br /> Lambda +
|}

== Histoire ==
Les muons furent découverts par [[Carl David Anderson]] et son assistant [[Seth Neddermeyer]], au [[Caltech]], en [[1936]], alors qu'ils travaillaient sur les [[rayon cosmique|rayons cosmiques]]. Ils remarquèrent des particules dont la trajectoire s'incurvait de manière distincte de celle des électrons et des autres particules connues, lorsqu'elles étaient soumises à un [[champ magnétique]]. Ces nouvelles particules portaient une charge électrique négative mais leur trajectoire était moins incurvée que celle des électrons mais plus incurvée que celle des [[proton]]s à vitesse égale. On supposait que leur charge électrique négative était égale à celle de l'électron et qu'étant donné la différence de courbure de la trajectoire, on devait en déduire qu'elles avaient une masse intermédiaire à celle de l'électron et du proton.

C'est pour cela qu'Anderson nomma d'abord cette particule ''mesotron'' (« mésotron »), dont le préfixe ''meso-'' venant du [[Grec ancien|grec]] signifie « intermédiaire ». Comme peu après d'autres particules de masses intermédiaires furent découvertes, le terme générique de ''meson'' (« méson ») fut adopté pour nommer de telles particules. Face au besoin de les différencier, le ''mesotron'' fut renommé ''μ meson'' (« méson μ »), avec la lettre grecque ''μ'' (« mu ») utilisée pour ressembler au son de la lettre latine « m ».

Cependant on découvrit bientôt que le méson μ différait de manière significative des autres [[méson]]s; par exemple ses produits de désintégration comprenaient un [[neutrino]] et un [[antineutrino]], en lieu et place de l'un ou de l'autre, comme on l'observait pour les autres mésons, ceux-ci étant des [[hadron]]s, particules formées de [[quark]]s et donc sujettes à des [[Interaction forte|interactions fortes]]. Dans le modèle de quark, un méson est composé d'exactement deux quarks (un quark et un anti-quark), à la différence des [[baryon]]s qui sont composés de trois quarks. On découvrit, cependant, que les mésons μ étaient des particules fondamentales (leptons) comme les électrons, sans structure de quark. Ainsi les mésons μ n'étant pas du tout des mésons (au sens nouvellement défini du terme ''meson''), le terme ''mu meson'' (« méson μ ») fut abandonné et remplacé par la nouvelle appellation de ''muon''.

== Moment magnétique ==
{{article connexe| Modèle standard de la physique des particules#Anomalies du muon{{!}}Anomalies du muon}}
Le [[moment magnétique]] du muon est l'objet d'intenses recherches, tant théoriques qu'expérimentales, parce que sa valeur précise est un test du [[modèle standard de la physique des particules|modèle standard]]. On en discute en général sous la forme du [[facteur de Landé]] <math>g</math>, un [[grandeur sans dimension|nombre sans dimension]] défini par<ref name=Middleton2021>{{Article| langue=en| titre=Muon measurements embolden the search for new physics| auteur1=Christine Middleton| périodique=[[Physics Today]]| volume=74| numéro=6| date=juin 2021| pages=| doi=10.1063/PT.3.4765| consulté le=4 juin 2021}}.</ref> :
:<math>g=\left(\frac{2m}{|q|}\right)\frac\mu S</math>
où :
:{{mvar|µ}} est le moment magnétique du muon ;
:{{mvar|S}} son [[spin]] ;
:{{mvar|m}} sa [[masse]] ;
:{{mvar|q}} sa [[charge électrique]].

L'[[équation de Dirac]] donne <math>g=2</math> pour les particules de spin {{sfrac|2}} comme le muon, mais le modèle standard prédit une valeur légèrement supérieure (d'un peu plus d'un [[millième]]) en raison de son interaction avec les [[particule virtuelle|particules virtuelles]] du vide. Pour comparer les valeurs théoriques et expérimentales de <math>g</math> on définit l'« anomalie du muon »<ref name=Middleton2021/> :
:<math>a_\mu=\frac{g-2}2</math>.

Les résultats les plus précis obtenus en 2021 sont<ref name=Middleton2021/> :
{| class="wikitable" style="text-align:center;"
|-
! Anomalie du muon || Valeur
|-
| Mesure expérimentale || {{unité|0,00116592061(41)}}
|-
| Calcul théorique de référence || {{unité|0,00116591810(43)}}
|-
| Différence || {{unité|0,00000000251(59)}}
|}

Ces deux résultats ne diffèrent que de 2,5 millionièmes (en valeur relative) mais la différence, égale à {{nobr|4,3 {{mvar|σ}}}} ([[écart type|écarts type]]), est très probablement réelle. Si elle était confirmée (on a coutume d'exiger une différence d'au moins {{nobr|5 {{mvar|[[écart type|σ]]}}}} pour s'autoriser à conclure), elle serait la preuve que le modèle standard ne décrit pas parfaitement la réalité physique. L'une des explications possibles est l'existence de particules virtuelles non prévues par le modèle standard.

Un autre calcul théorique incluant la composante hadronique à l'aide de calcul de [[chromodynamique quantique sur réseau]], publié en même temps que l'article indiquant la nouvelle valeur expérimentale, aboutit à une valeur de l’anomalie plus proche de la valeur expérimentale, bien que toujours non compatible avec elle<ref>{{Article |langue=en |prénom=Szabolcs |nom=Borsányi |titre=Leading hadronic contribution to the muon magnetic moment from lattice QCD |périodique=Nature |volume=593 |pages=51–55 |jour=7 |mois=4 |année=2021 |doi=10.1038/s41586-021-03418-1}}.</ref>. Le calcul nécessite d'être confirmé par d'autres équipes et il restera à expliquer la différence avec la valeur théorique de référence<ref>{{Article| prénom=Sean| nom=Bailly| titre=Le muon, un accroc dans le modèle standard ?| périodique=[[Pour la science]]| numéro=524| pages=33| mois=6| année=2021| lire en ligne=https://www.pourlascience.fr/sd/physique-particules/le-muon-un-accroc-dans-le-modele-standard-21713.php}}.</ref>{{,}}<ref>{{Article| prénom=Sean| nom=Bailly| titre=Le muon sur la sellette| périodique=Pour la science| série=hors-série| numéro=114| pages=58-66| date=février-mars 2022}}.</ref>. Un résultat expérimental publié le {{date|10 août 2023}} par le [[Fermilab]] donne <math>g-2</math> = {{unité|0,00233184110 ± 0,00000000043}} (stat.) {{unité|±=0,00000000019}} (syst.)<ref>{{lien web| langue=en| url=https://news.fnal.gov/2023/08/muon-g-2-doubles-down-with-latest-measurement| titre=Muon g-2 doubles down with latest measurement, explores uncharted territory in search of new physics| date=10 août 2023| consulté le=14 août 2023}}.</ref> et donc {{nobr|1={{mvar|a{{ind|μ}}}} =}} {{unité|0,00116592059}}(22), la différence avec la valeur théorique devient {{unité|0,00000000249}}(48), ce qui correspond à un écart de presque {{nobr|5,2 {{mvar|[[écart type|σ]]}}}} qui reste à expliquer<ref>{{Lien web |langue=en |auteur=Aguillard, D.P. |et al.=oui |titre=Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to {{nobr|0.20 ppm}} |url=https://muon-g-2.fnal.gov/result2023.pdf |format=pdf |date=10 août 2023 |consulté le=28 août 2023}}.</ref>.

== Mesure des flux de muons ==
{{Article détaillé|Muographie|}}
La technologie de la [[muographie]] mesure les flux de muons. Ceux-ci diminuent à chaque traversée d'obstacle. Cette mesure permet de déterminer la densité des secteurs traversés par les muons<ref>{{Article|langue=fr-FR|auteur1=Jean-Paul Fritz|titre="Un grand vide" découvert à l'intérieur de la pyramide de Kheops|périodique=L'Obs|date=2 novembre 2017|lire en ligne=https://www.nouvelobs.com/sciences/20171102.OBS6838/un-grand-vide-decouvert-a-l-interieur-de-la-pyramide-de-kheops.html|consulté le=2018-06-29|pages=}}</ref>.

== Dans la culture populaire ==
=== Télévision ===
La série télévisée ''[[The Big Bang Theory]]'' fait parfois référence aux muons dans ses dialogues scientifiques humoristiques<ref>*''The Big Bang Theory''. (2012). ''[https://www.youtube.com/watch?v=1DD4IOlIU64 The Knock Knock joke]''. Saison 5, Épisode 20, [ThanosKantz].</ref>.

=== Cinéma ===
Dans le film ''[[Interstellar]]'' (2014), les personnages traversent un tesseract, une structure spatio-temporelle théorique, et sont exposés à des radiations intenses contenant des muons<ref>* David Louapre, ''Interstellar et le paradoxe des jumeaux'', ''Science Étonnante'', 24 novembre 2014, [https://scienceetonnante.com/2014/11/24/interstellar-et-le-paradoxe-des-jumeaux/ article].</ref>.

=== Littérature ===
Le roman thriller ''[[Muon (roman) | Muon]]'' (2024) de Darwin Balmane base son intrigue sur l'exploration de la grande pyramide de Gizeh par Muographie afin d'en percer les derniers secrets<ref>* Darwin Balmane (2024). ''Muon''. {{ISBN|979-8323184910}}, [https://balmane.com/ balmane.com]</ref>.

Dans le roman de science-fiction ''[[Les Fils de Fondation]]'' par Isaac Asimov, les muons sont mentionnés dans le contexte de la physique des particules. Bien que les muons ne soient pas le sujet principal du livre, ils font partie de l'univers scientifique imaginé par Asimov <ref>* Asimov, Isaac. ''Foundation's Edge''. Doubleday, 1982.
</ref>

== Notes et références ==
{{Traduction/Référence| en| Muon| 126624126}}
{{Références}}

== Articles connexes ==
* [[Fusion catalysée par muons]]
* [[Muographie]]
* [[Scanpyramids]]

{{Palette|Tableau particules}}
{{Portail|physique}}

[[Catégorie:Lepton]]