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Le muonium, prochaine conquête de la physique ?

ActualitéClassé sous :physique , Stanley J. Brodsky , SLAC

Un électron (bleu) et un positron (rouge) s'annihilent pour donner un photon (vert). Ce dernier donne une paire de muon-antimuon (jaune-violet) formant un état temporaire de muonium avant que celui-ci ne se désintègre par un processus inverse. Autour, l'auteur a représenté un état lié muon-antimuon, du muonium. Crédit : Terry Anderson, SLAC

Le positronium - un électron autour d'un positron - est connu théoriquement et obtenu expérimentalement mais personne ne savait comment réaliser un assemblage de muon et d'antimuon pour former du muonium. Deux chercheurs américains croient aujourd'hui savoir comment s'y prendre.

L'antimatière a été une prédiction surprenante du grand théoricien de la mécanique quantique Paul Dirac en 1928. Cherchant une généralisation relativiste de l'équation de Schrödinger d'une particule comme l'électron, il fut conduit par des considérations presque de pure mathématique à la découverte de sa célèbre équation d'onde s'appliquant aux fermions. Cette formule possédait des solutions décrivant des particules d'énergie négative dont les principes de la mécanique quantique et de la relativité restreinte imposaient la prise en compte. Elles devaient nécessairement avoir une signification physique et l'on ne pouvait pas les écarter comme on le faisait habituellement dans le cadre d'autres équations de la physique classique.

Pour s'en sortir, Dirac proposa que ces solutions à énergie négative étaient en fait des particules à énergie positive mais de charge opposée à celle de l'électron. Appliquant le rasoir d'Occam, et bien qu'il fut conscient que le proton et l'électron étaient deux particules de masses différentes, il identifia le proton à la solution à énergie négative associé à un électron. Bien peu de physiciens prirent les idées de Dirac au sérieux, sauf Oppenheimer qui fut d'ailleurs l'un des premiers à comprendre qu'il devait exister de véritables antiparticules de même masse que celles que l'on connaissait.

Le positron, l'antiparticule de l'électron, ne différant de ce dernier que par une charge de signe opposée, fut finalement découvert dans les rayons cosmiques par Carl Anderson en 1932. En 1936, il découvrit une autre particule dans le rayonnement cosmique avec son étudiant d'alors, Seth Neddermeyer. 207 fois plus massive que l'électron, cette particule fut identifiée à tort comme le méson prédit par Yukawa quelques années avant. Ce dernier avait été proposé par le physicien japonais pour expliquer la force nucléaire forte liant protons et neutrons dans les noyaux, malgré la force de répulsion électrostatique entre les protons et le caractère neutre des neutrons. En fait, assez rapidement, certaines anomalies dans le comportement du nouveau méson découvert conduisirent les physiciens à rejeter cette hypothèse. Il fallut attendre les observations de Cecil Powell, César Lattes et Giuseppe Occhialini en 1947 pour que le pion de Yukawa soit vraiment découvert.

Seth Neddermeyer ne fit pas que découvrir avec Anderson le muon, il fut à l'origine du mécanisme d'implosion de la bombe atomique de Nagasaki. Crédit : Los Alamos National Laboratory

Les muons, catalyseurs de fusion froide décevants

La découverte du muon par Anderson et Neddermeyer rendit donc les physiciens assez perplexes. A quoi donc pouvait bien servir ce cousin de l'électron, plus lourd que lui mais qui semblait si proche d'un électron ? La confusion augmenta lorsque que l'on découvrit plus tard un autre cousin encore plus lourd, le tauon.

De nos jours, ces trois particules sont associées à des neutrinos dans le cadre de la théorie électrofaible et on s'aperçoit maintenant qu'elles sont toutes nécessaires pour que certaines anomalies d'origine quantique dans la théorie des quarks n'apparaissent pas.

Les muons ont été proposés à la fin des années 1940 et au début des années 1950 comme catalyseurs de réactions de fusion froide à basse température par Andrei Sakharov, F.C. Frank, Ya. B. Zel'dovitch et Luis W. Alvarez. En remplacement des électrons dans des atomes d'hydrogène et surtout de deutérium et de tritium, ils permettent théoriquement de faciliter les réactions de fusion. Malheureusement, les muons sont difficiles à produire et ne vivent qu'une fraction de seconde, sans parler de certaines difficultés pointées dès 1957 par J.D Jackson qui rendent au final le rendement des réactions de fusion avec muons peu intéressant.

Deux astuces pour créer du muonium

Il n'en reste pas moins que la question de la formation et de la stabilité d'une sorte d'atome d'hydrogène avec un muon positif jouant le rôle d'un proton, avec un électron autour, a été étudié. Originellement, c'est cet assemblage qui a reçu le nom de muonium mais, par analogie avec le positronium - un électron et un positron formant un état lié comme l'atome d'hydrogène -, il serait plus logique d'appelé muonium l'état lié d'un muon et d'un antimuon (avec une paire tauon-antitauon on aurait du tauonium).

Malheureusement, cet état n'a jamais été observé et personne n'avait d'idée sur la manière de s'y prendre, que ce soit pour en fabriquer ou en observer. Cela vient de changer suite à un article publié par Stanley J. Brodsky, du Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, et son collègue Richard Lebed de l'Arizona State University.

Alors qu'ils étaient en train de discuter de la façon de créer en accélérateur des particules exotiques à l'aide de collisionneurs électrons-positrons, les deux théoriciens se sont soudain rendu compte que dans les diagrammes de Feynman qu'ils considéraient, la production du muonium émergeait naturellement. Deux processus ont ainsi été découverts dont l'un est représenté sur l'image d'artiste en bas de l'article.

La première idée est de faire entrer en collision avec un angle donné un faisceau de positrons avec un faisceau d'électrons. Parmi les réactions possibles, les deux particules se combinent en s'annihilant pour donner un photon, lequel se transmute en une paire de muon et d'antimuon formant temporairement un état lié. Du fait du mouvement à vitesse relativiste par rapport au laboratoire, le phénomène de dilatation du temps permettrait au muonium de rester stable suffisamment longtemps pour être observé dans les détecteurs.

Le second processus, plus rare, repose sur une collision frontale entre les deux faisceaux précédents et conduit à la formation d'un muonium et d'un photon émis transversalement. Selon les deux chercheurs, il est probable que dans des expériences comme celles du LEP, ces processus se soient déjà produits mais n'ont pas été détectés car on ne s'attendait pas à leur apparition, qui de plus est fugace. La prochaine génération de collisionneur électrons-positrons devrait permettre d'étudier ces états prédits par l'électrodynamique quantique.

Qui peut savoir à quelles découvertes le muonium conduira ? Et s'il représentait une clé pour la fusion froide ?

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