La journée internationale cosmique est l’occasion pour des élèves de différents pays de contribuer à un même travail d’investigation scientifique sur le thème des particules cosmiques.
Pour l’édition 2025, quatre élèves du groupe Sciences+ du lycée ont mesuré la durée de vie moyenne du muon dans son référentiel propre.
Pour cela, nous avons utilisé un scintillateur qui fait partie de la « Roue Cosmique », dispositif de l’opération « Sciences à l’Ecole ».
Le muon est une particule élémentaire, électriquement chargée. Il est 207 fois plus « lourd » que son « cousin », l’électron. Une autre différence est que le muon « meurt » : sa durée de vie moyenne mesurée avec une horloge embarquée avec le muon, est de 2.197 µs.
La désintégration se fait selon :
Parmi les produits de désintégration, il est à noter la présence d’un électron.
On montre que, dans le référentiel propre du muon, le nombre N0 de muons présents à un instant t = 0 décroît de façon exponentielle selon : N=N0. exp (-t/τ), où τ désigne la durée de vie moyenne du muon.
Le document 1 illustre le principe de la mesure de la durée de vie en question. La majorité des muons passe à travers le scintillateur et en cela il engendre seulement un signal dans le détecteur. Plus rarement, un muon se désintègre dans le détecteur (événement qui nous intéresse). A ce moment-là, on enregistre deux signaux :
- Le premier correspond à l’entrée du muon dans le détecteur (signal START)
- Le deuxième correspond à la détection de l’électron provenant de la désintégration du muon (signal STOP).
La durée séparant ces deux signaux nous fournit la durée de vie du muon. Pour obtenir une statistique suffisante, nous avons enregistré les événements sur une période de 19 heures.
Les résultats sont donnés sans le document 2. L’erreur sur le nombre de muons N est de racine de N.
On obtient une valeur de 2.2 µs, valeur en très bon accord avec la valeur de référence rappelée plus haut.
La contribution des élèves du lycée Marcel Rudloff est à retrouver avec les autres contributions des différents pays dans le Booklet icd25 à l’adresse :