Des physiciens capturent les premières images optiques de faisceaux de muons

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Des physiciens du Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) ont irradié des muons positifs sur de l’eau ou un bloc de scintillateur en plastique et les ont imagés à l’aide d’une caméra à dispositif à couplage de charge.

Image optique d'un scintillateur en plastique pendant l'irradiation par des muons positifs de 73,9 MeV/c. Crédit image : Yamamoto et al, doi : 10.1038/s41598-020-76652-8.

Image optique d’un scintillateur en plastique pendant l’irradiation par des muons positifs de 73,9 MeV/c. Crédit image : Yamamoto et al, doi : 10.1038/s41598-020-76652-8.

Un muon est une particule similaire à un électron, avec une charge électrique de e pour un muon négatif et de e+ pour un muon positif ; cependant, sa masse est 207 fois supérieure à celle d’un électron.

Un muon a une durée de vie moyenne de 2,2 μs et un muon négatif se désintègre en un électron et deux types de neutrinos, tandis que le muon positif se désintègre en un positron et deux types de neutrinos.

Comme ces caractéristiques sont très différentes des radiations familières telles que les rayons X, les électrons, les protons ou les ions carbone, de nouveaux résultats pour de telles applications d’évaluation de la qualité, de recherche ou de radiothérapie peuvent être obtenus par l’imagerie optique des muons.

En ce qui concerne les muons cosmiques à haute énergie, ils sont utilisés pour la radiographie de sujets immenses tels que le dôme d’un volcan, une pyramide ancienne ou un réacteur nucléaire, qu’il est impossible d’imager avec d’autres méthodes.

“Nous avons mis au point une nouvelle technique d’imagerie prometteuse pour l’évaluation de la qualité et la recherche sur les faisceaux de muons, et qui devrait être utile à la radiothérapie par muons à l’avenir”, a déclaré le Dr Seiichi Yamamoto de l’Université de Nagoya et ses collègues.

“La technique dépend d’un phénomène qui se produit lorsque des particules chargées se déplacent dans des milieux transparents, comme l’eau.”

“L’eau ralentit la lumière par rapport aux particules à haute énergie. Les particules qui se déplacent plus vite que la lumière provoquent quelque chose de similaire au bang sonique que nous entendons lorsqu’un avion à réaction franchit le mur du son. “

“Dans le cas des particules, un ‘boom optique’, appelé l’effet Cherenkov, provoque un bref flash.”

Les physiciens ont imagé cet effet avec une caméra à dispositif à couplage de charge lorsqu’un faisceau de muons était dirigé à travers de l’eau ou un bloc de scintillateur en plastique.

“La technique nous a permis d’imager les muons et les positrons qui se forment lorsque les muons se désintègrent”, ont-ils déclaré.

“Cela nous a permis de mesurer la portée du faisceau à travers l’eau ou le scintillateur en plastique, et la déviation de son élan, ainsi que de clarifier la direction du mouvement des positrons.”

“Le système est compact, peu coûteux et facile à utiliser, ce qui est prometteur en tant qu’outil d’évaluation de la qualité dans les installations de faisceaux de muons”, a ajouté le Dr Yamamoto.

Un article sur les résultats a été publié dans la revue. Scientific Reports.

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