Rayons cosmiques et leur utilisation médicale

Histoire

Les muons furent découverts par Carl David Anderson et son assistant Seth Neddermeyer, au Caltech, en 1936, alors qu'ils travaillaient sur les rayons cosmiques. Ils remarquèrent des particules dont la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) s'incurvait de manière distincte de celle des électrons et des autres particules connues, lorsqu'elles étaient soumises à un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par...). Ces nouvelles particules portaient une charge électrique négative mais leur trajectoire était moins incurvée que celle des électrons mais plus incurvée que celle des protons à vitesse (On distingue :) égale. On supposait que leur charge électrique négative étant égale à celle de l'électron et qu'étant donné la différence de courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins courbé » de cet objet. Par exemple :) de la trajectoire, on devait en déduire qu'elles avaient une masse intermédiaire à celle de de l'électron et du proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.).

C'est pour celà qu'Anderson nomma d'abord cette particule mesotron, dont le préfixe meso- venant du grec signifie "intermédiaire". Comme peu après d'autres particules de masses intermédiaires furent découvertes et que le terme générique de meson fut adopté pour nommé de telles particules. Face au besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins primaires, les besoins secondaires et...) de les différencier, le mesotron fut renommé mu meson (avec la lettre grecque μ (mu) utilisée pour ressembler au son de la lettre latine m).

Cependant on découvrit bientôt que le mu meson différait de manière significative des autres mesons; par exemple ses produits de désintégration comprenaient un neutrino et un antineutrino, en lieu et place de l'un ou de l'autre, comme on l'observait pour les autres mesons. Les autres mesons étant des hadrons, qui sont des particules formées de quarks et donc sujettes à des interactions fortes. Dans le modèle de quark (Les quarks sont des fermions que la théorie du modèle standard décrit, en compagnie de la famille des leptons, comme les constituants élémentaires de la matière.), un meson est composé d'exactement deux quarks (un quark et un anti-quark), à la différence des baryons qui sont composés de trois quarks. On découvrit, cependant, que les mu mesons étaient des particules fondammentales (leptons) comme les électrons, sans structure de quark. Ainsi les mu mesons n'étant pas du tout des mesons (au sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du...) nouvellement définit du terme meson), le terme mu meson fut abandonné et remplacé par la nouvelle appellation de muon.

Particules
Particules élémentaires :
Fermions :	quark · lepton (Un lepton est une particule élémentaire qui n'est sensible qu'à l'interaction électrofaible et à la gravitation. Le terme lepton provient du mot grec signifiant « léger » et se réfère à la faible masse du premier lepton...)
Leptons :	électron · muon · tauon · neutrino
Bosons :	photon · gluon · bosons W+, W- et Z0
Hypothétiques :	graviton · boson de Higgs (Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence a été proposée en 1964 par Gerry Guralnik, C.R. Hagen, et Tom Kibble; Robert Brout et...)
Particules composites :
Hadrons :	baryon · méson (Un méson est, en physique des particules, une particule composite (c’est-à-dire non élémentaire) composée d'un nombre pair de quarks et d'antiquarks.)
Baryons :	proton · neutron · hypéron (Les hypérons sont des particules qui ressemblent aux nucléons lourds. Les hypérons sont tous des fermions et ont une masse plus ou moins importante et donc ils sont...)
Mésons :	pion · kaon

Exposition aux rayons cosmiques

Une pluie de particules

Les particules en provenance du cosmos ont beaucoup voyagé pour atteindre la terre. Ce sont des particules stables : protons, noyaux légers ou encore gamma, électrons. Quand elles possèdent beaucoup d'énergie, elles génèrent une gerbe de particules par une cascade de collisions et de désintégrations. Certaine particules comme les mésons sont très éphémères. D'autres comme les muons sont assez pénétrantes et vivent assez longtemps pour atteindre le sol. Les désintégrations en cascades produisent des neutrinos.

IN2P3

La Terre est en permanence bombardée par des particules de très haute énergie en provenance de l'espace galactique et extragalactique. Ces rayons cosmiques ont des origines et des énergies diverses.

Ils proviennent principalement du soleil, de l'explosion d'étoiles (supernovae), de pulsars ou de phénomènes du lointain cosmos. Quand les rayons cosmiques primaires entrent en collision avec les noyaux de l'atmosphère, ils produisent une cascade de particules secondaires. Une partie des particules secondaires produites dans les gerbes cosmiques atteignent le niveau du sol.

Notre corps est traversé par des centaines de particules chargées ou neutres par seconde. Parmi les particules chargées, se trouvent des muons, des particules instables parentes de l'électron, capables de longs parcours dans l'atmosphère. S'y ajoutent les 65 milliards de neutrinos par cm2 qui nous traversent chaque seconde comme si nous étions transparents. Les neutrinos interagissent si peu que sur 100 000 milliards de neutrinos en provenance du soleil qui traversent la Terre, moins de un neutrino sera arrêté ou interagira !

Effets de l'altitude

L'exposition aux rayons cosmiques, mesurée par le débit de dose, croit avec l'altitude. Le débit de dose est ici mesuré en microsieverts par heure (un microsievert ou millième de millisievert). A titre d'indication la dose d'exposition moyenne à la radioactivité naturelle est de 2 400 microsieverts par an.

Toutes ces particules - gamma, muons, electrons, neutrinos - si elles ne sont pas issues de désintégrations radioactives, constituent une source de rayonnement. Le flux de ces particules cosmiques est en France de 240 par m2 et par seconde au niveau du sol. L'intensité de ce flux et du rayonnement cosmiique croît avec l'altitude, l'effet protecteur de l'atmosphère diminuant quand on s'élève.

L'atmosphère joue le rôle de bouclier vis à vis du rayonnement cosmique : l'exposition double à 1500 m par rapport au niveau de la mer et augmente plus encore lors d'un voyage à haute altitude.

Les plus hauts débits de dose de rayons cosmiques sont reçus par les cosmonautes lors des vols spatiaux (1 mSv par jour). Lors d'un voyage en avion à une altitude de 8000 mètres, la dose reçue est près de 100 fois plus grande qu'au niveau de la mer. Même si cette dose reste peu importante (le passager d'un vol Londres New York reçoit une dose de 0,032 mSv, l'équivalent d'une radiographie dentaire panoramique), cela mérite une surveillance pour les voyageurs réguliers et les équipages aériens.

Même sans prendre l'avion, nous recevons des doses qui dépendent beaucoup de l'endroit où nous nous trouvons. Dans les premiers kilomètres de l'atmosphère, le taux de radiation double tous les 1500 mètres. Ainsi, les Indiens des Andes et les Tibétains de l'Himalaya reçoivent une exposition au rayonnement cosmique quatre fois supérieure à celle de Paris, Londres ou New-York.

ScanPyramids : La radiographie par muons 

                              

L'utilisation de la radiographie par muons

En mesurant la densité de muons traversant un objet à l’aide de capteurs très sensibles, il est facile d’observer ses anomalies de densités et d’en déduire par exemple l’existence de cavités.

Les muons, qui tombent sur le sol presque à la vitesse de la lumière avec un débit permanent d’environ 10 000 par m² par minute, proviennent des hautes couches de l’atmosphère terrestre, où ils ont été créés lors de collisions entre des rayons cosmiques issus de notre environnement galactique et les noyaux des atomes de l’atmosphère.

A l’instar des rayons X qui traversent notre corps et permettent de visualiser notre squelette, ces particules élémentaires, sorte d’électrons lourds, peuvent traverser très facilement même des roches de grande épaisseur, telles les montagnes. Des détecteurs, placés aux endroits judicieux (par exemple à l’intérieur de la pyramide, sous une possible chambre encore non détectée), permettent, par accumulation dans le temps des muons, de discerner les zones de vide (que les muons ont traversé sans problème) et les zones plus denses où certains d’entre eux ont pu être absorbés ou déviés.

Tout l’art de la mesure consiste à réaliser des détecteurs extrêmement sensibles - soit des gels de type émulsions argentiques, soit des scintillateurs. Puis à accumuler assez de données (pendant plusieurs jours ou mois) pour accentuer les contrastes.

La radiographie par muons est aujourd’hui fréquemment utilisée dans l’observation des volcans, notamment par les équipes de recherche de l’Université de Nagoya. Plus récemment le KEK a développé une approche de détection à base de scintillateurs électroniques résistants, contrairement aux émulsions chimiques, aux radiations nucléaires, afin de scanner l’intérieur des réacteurs de la centrale de Fukushima.