SurTerre, les muons sont produits par la désintégration depions chargés. Les pions sont créés dans la haute atmosphère par l'action desrayons 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 larelativité restreinte les rend observables à la surface de la Terre.
Tout comme il existe unneutrino électronique associé à l'électron, il existe unneutrino muonique qui est associé au muon. Les neutrinos muoniques sont notés νμ.
Les muons positifs peuvent s'associer avec un électron pour former une particule appelée lemuonium, ou μ+e–. À cause de la différence de masse entre le muon et l'électron, le muonium ressemble plus à unatome d'hydrogène que lepositronium, association d'un positron avec un électron.
La masse du muon est voisine de celle dupion, mais toutefois un peu plus faible.
Les muons furent découverts parCarl David Anderson et son assistantSeth Neddermeyer, auCaltech, en1936, alors qu'ils travaillaient sur lesrayons 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 unchamp magnétique. Ces nouvelles particules portaient une charge électrique négative mais leur trajectoire était moins incurvée que celle des électrons mais plus incurvée que celle desprotons 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 particulemesotron (« mésotron »), dont le préfixemeso- venant dugrec signifie « intermédiaire ». Comme peu après d'autres particules de masses intermédiaires furent découvertes, le terme générique demeson (« méson ») fut adopté pour nommer de telles particules. Face au besoin de les différencier, lemesotron fut renomméμ meson (« méson μ »), avec la lettre grecqueμ (« mu ») utilisée pour ressembler au son de la lettre latine « m ».
Cependant on découvrit bientôt que le méson μ différait de manière significative des autresmésons; par exemple ses produits de désintégration comprenaient unneutrino et unantineutrino, en lieu et place de l'un ou de l'autre, comme on l'observait pour les autres mésons, ceux-ci étant deshadrons, particules formées dequarks et donc sujettes à desinteractions fortes. Dans le modèle de quark, un méson est composé d'exactement deux quarks (un quark et un anti-quark), à la différence desbaryons 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 termemeson), le termemu meson (« méson μ ») fut abandonné et remplacé par la nouvelle appellation demuon.
L'équation de Dirac donne pour les particules de spin1/2 comme le muon, mais le modèle standard prédit une valeur légèrement supérieure (d'un peu plus d'unmillième) en raison de son interaction avec lesparticules virtuelles du vide. Pour comparer les valeurs théoriques et expérimentales de on définit l'« anomalie du muon »[2] :
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Les résultats les plus précis obtenus en 2021 sont[2] :
Anomalie du muon
Valeur
Mesure expérimentale
0,001 165 920 61(41)
Calcul théorique de référence
0,001 165 918 10(43)
Différence
0,000 000 002 51(59)
Ces deux résultats ne diffèrent que de 2,5 millionièmes (en valeur relative) mais la différence, égale à4,3σ (écarts type), est très probablement réelle. Si elle était confirmée (on a coutume d'exiger une différence d'au moins5σ 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 dechromodynamique 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[3]. Le calcul nécessite d'être confirmé par d'autres équipes et il restera à expliquer la différence avec la valeur théorique de référence[4],[5]. Un résultat expérimental publié le par leFermilab donne = 0,002 331 841 10 ± 0,000 000 000 43 (stat.) ± 0,000 000 000 19 (syst.)[6] et doncaμ = 0,001 165 920 59(22), la différence avec la valeur théorique devient 0,000 000 002 49(48), ce qui correspond à un écart de presque5,2σ qui reste à expliquer[7].
La technologie de lamuographie 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[8].
Dans le filmInterstellar (2014), les personnages traversent un tesseract, une structure spatio-temporelle théorique, et sont exposés à des radiations intenses contenant des muons[10].
Le roman thriller 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[11].
Dans le roman de science-fictionLes 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[12]
