VOIR À TRAVERS LE PLOMB AVEC DES MUONS NÉS D'UN LASER

Le muon est un cousin lourd de l’électron. Grâce à sa masse bien plus grande, il perd peu d’énergie en traversant la matière et peut franchir d’énormes épaisseurs de roche ou de métal.

C’est le principe de la muographie : « radiographier » des objets immenses ou denses avec des muons. Elle a révélé un grand vide dans la pyramide de Khéops en 2017, et a servi à sonder des volcans comme l’Asama et l’Etna, des mines, des tunnels ferroviaires, des glaciers et des conteneurs de fret.

La limite des muons du ciel

Jusqu’ici, la muographie n’utilisait que les muons cosmiques, produits naturellement quand les rayons cosmiques frappent l’atmosphère. Leur flux est faible — environ un muon par centimètre carré et par seconde —, d’où des temps de pose très longs. Ils viennent surtout d’en haut, et personne ne contrôle leur énergie ni leur direction.

L’alternative : fabriquer un faisceau de muons artificiel avec un laser. L’« accélération par sillage laser » peut porter des électrons à environ 10 GeV sur quelques centimètres de gaz. En frappant une cible solide, ces électrons produisent des muons. La production de muons par laser a été confirmée pour la première fois en 2025, à Shanghai et avec le laser BELLA de Berkeley — mais seulement détectée indirectement.

L’expérience

Les mesures ont été faites à ELI-NP (Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics), à Măgurele, en Roumanie, avec son bras laser de 10 pétawatts : 230 joules délivrés en 23 femtosecondes, un tir par minute au plus. La campagne a compté 230 tirs.

Une cible de gaz de 60 mm a produit des électrons jusqu’à 8 GeV.
Ils ont frappé un bloc de plomb de 40 × 40 × 50 cm. Là, des rayons gamma ont créé des paires muon–antimuon (processus de Bethe-Heitler).
Un blindage massif — 100 cm de polyéthylène, 60 cm de paraffine, du plomb et un mur de béton armé de 2 mètres — a arrêté les neutrons et gammas parasites.
Trois détecteurs conçus pour la muographie ont enregistré le faisceau. L’un d’eux, le µ36, était installé dans une camionnette, déplacée à 20, 29 et 42 mètres de la source, et jusqu’à 6 mètres sur les côtés.
Des simulations Monte-Carlo détaillées (GEANT4) ont reproduit toute l’installation, tir par tir, à partir des spectres d’électrons mesurés.

Ce qu’ils ont mesuré

Profil du faisceau : un pic centré sur l’axe, large de 4,51 m (à mi-hauteur) à 20 m et de 6,35 m à 29 m — une ouverture d’environ 12,6°. Les simulations donnent 4,43 m et 6,27 m.
À 20 m, 86,9 % de l’énergie déposée dans le détecteur vient des muons, alors que les particules parasites sont plus nombreuses.
Énergie des muons : quelques GeV, jusqu’à 6 ou 7. Il leur faut au moins 1,5 GeV pour atteindre les détecteurs.
Image : un objet en plomb de 20 × 25 × 100 cm, placé à 23 m de la source, a été radiographié en 30 tirs laser. Taille reconstruite : 22,5 à 25 cm — l’objet réel fait 25 cm d’épaisseur. Le signal derrière lui baisse d’environ 26 %. Résolution : 2,5 cm, la largeur d’un barreau du détecteur.
En simulation, sans les muons, les gammas et les neutrons ne produisent pas cette image, seulement un fond plat.

Au-delà des muons du ciel

Selon les auteurs, c’est la première imagerie dominée par un faisceau de muons artificiel produit par laser. Une source artificielle apporte un flux plus fort, et le contrôle de la direction et de l’énergie — sans dépendre du ciel. Elle pourrait aussi servir à la spectroscopie de spin du muon et à l’étude des neutrinos. Les prochaines campagnes visent des électrons plus énergétiques et des détecteurs conçus pour de forts flux.