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Faire de la recherche avec les muons

Les physiciens utilisent les muons pour quantifier les champs magnétiques à l'intérieur des corps solides. En Europe, les muons destinés à la recherche sur les solides ne se trouvent que sur deux sites: à l'institut Paul Scherrer et au centre de recherche ISIS situé à proximité d'Oxford en Angleterre. Les possibilités d'expérimentation avec des muons lents offertes par l'institut Paul Scherrer sont uniques au monde. À l'institut Paul Scherrer, les muons sont générés dans la Source de muons SμS.

La recherche avec les muons est particulièrement importante par ex. pour des recherches sur les supraconducteurs à haute température et sur de nouveaux matériaux magnétiques. Les expériences avec les muons complètent alors souvent les expériences menées avec des neutrons et la lumière synchrotron.

Qu'est-ce qu'un muon?

Un muon est une particule élémentaire qui a une charge électrique. Les physiciens des particules considèrent les muons comme des électrons lourds – ils sont environ 207 fois plus lourds. Il existe des muons de charge positive et de charge négative. Les muons sont des particules instables – après leur formation, ils se désintègrent avec une demi-vie de quelques millionièmes de seconde. Du fait de leur très courte durée de vie, les muons ne font pas partie de la matière. Et cependant, ils sont eux aussi omniprésents dans notre monde: en tant que composants des rayons cosmiques, ils s'abattent sur nous à tout moment.

Expériences menées avec des muons

Au PSI, les muons servent avant tout à la quantification des champs magnétiques locaux à l'intérieur de différents matériaux. Dans ce but, on dirige un faisceau de muons de charge positive de la source de muons SμS de l'institut Paul Scherrer vers l'objet à étudier. Les muons sont arrêtés dans l'échantillon – souvent sur ce que l'on nomme des sites interstitiels, c'est-à-dire un emplacement fixe le plus éloigné possible des atomes environnants. Sur ces sites, les muons peuvent alors indiquer le champ magnétique local.

 

1. Des muons polarisés sont implantés dans l'échantillon.
2. Le spin du muon tourne autour de l'orientation du champ magnétique dans l'échantillon.
3. Le muon se désintègre en trois particules – le positron (e+) est émis préférentiellement en direction du moment magnétique du muon.

C'est grâce au spin du muon, auquel la particule doit son moment magnétique, que cette expérience est possible. Il se comporte ainsi comme un petit barreau aimanté. Les moments magnétiques de tous les muons générés dans la source de muons SμS du PSI pointent dans la même direction – ainsi, le faisceau de muons est polarisé. Ce n'est que grâce à cette propriété que les muons peuvent être utilisés pour des expériences.

Si on place maintenant un muon dans un champ magnétique, la direction de son moment magnétique sera dépendante de celui-ci, en peu à la manière d'une toupie en train de basculer. Plus le champ magnétique extérieur est puissant, plus l'axe de spin tourne vite.

Après quelques millionièmes de seconde, le muon se désintègre en un positron et en deux neutrinos. Le positron se déplace alors préférentiellement dans la direction du spin du muon au moment de la désintégration. Si on observe la direction du déplacement des positrons pour des millions de désintégration de ce type, on peut déterminer la vitesse de rotation des spins de muons et en déduire ainsi avec grande précision le champ magnétique à l'intérieur de l'échantillon.

Le physicien anglais Alan Drew et Elvezio Morenzoni, chercheur au PSI, dans le cadre d'une expérience menée avec des muons lents.
Le physicien anglais Alan Drew et Elvezio Morenzoni, chercheur au PSI, dans le cadre d'une expérience menée avec des muons lents.

L'institut Paul Scherrer est le seul à disposer de muons lents ou de faible énergie (Low Energy Muons – LEM) pour conduire des expériences. À l'aide de muons lents de ce type, on peut déterminer le champ magnétique dans des systèmes de couches minces, tels qu'on en utilise actuellement dans de très nombreux appareils électroniques – par exemple, dans les têtes de lecture des disques durs d'ordinateurs. Ce qui est alors déterminant, c'est la profondeur d'implantation dépend de l'énergie des muons.

Les muons habituels, tels que ceux qui sortent directement de la source de muons, sont si rapides qu'ils traverseraient tout simplement les couches minces telles que celles examinées actuellement, et ce sans livrer d'informations sur leurs propriétés. En revanche, les muons lents sont complètement freinés dans une couche mince. Étant donné qu'il est également possible de varier la vitesse des muons, on peut étudier des champs magnétiques à différentes profondeurs avec des muons – de l'ordre de quelques nanomètres à plusieurs centaines de nanomètres.

Les muons lents sont obtenus en freinant tout d'abord les muons qui arrivent à grande vitesse au moyen d'une couche composée d'un gaz inerte gelé, pour les accélérer à nouveau à l'aide d'un champ électrique. Plus ce champ est puissant, plus les muons se déplacent rapidement.

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