Tomographie muonique

Les deux termes tomographie muonique et muographie sont employés couramment dans la littérature scientifique. Le terme tomographie muonique fait références aux autres méthodes de tomographie (imagerie de l'intérieur d'un objet par reconstruction à partir de tranches successives), comme la tomographie médicale ou la tomographie sismique. Le terme muography s'est généralisé dans la littérature anglo-saxonne, et sa francisation en muographie est courante et naturelle.

Le terme muographie est la combinaison du préfixe muo- (pour muon) et du suffixe -graphie (du grec γραφία / graphía, « écriture »)^[4]. Ici, graphie peut valoir per se (la muographie est une écriture par des muons comme la radiographie est une écriture par des rayons X), ou bien être la contraction de tomographie voire de radiographie^[5].

La muographie utilise les muons en détectant le nombre de ces particules qui traversent le volume cible afin de déterminer la densité et l'épaisseur de sa structure interne, inaccessible. La radiographie par rayon X fonctionne selon le même principe, mais le pouvoir pénétrant des muons étant plus fort que le rayonnement X, le volume des cibles analysables est plus important. Toutefois, les muons étant moins susceptibles d'être stoppés ou perturbés par la matière qu'ils traversent, il faut faire passer beaucoup de muons au travers de la cible pour obtenir une image. Et moins le milieu traversé est dense, plus il faudra de muons. De la sorte, l'image obtenue présentera des teintes différentes selon la densité relative du matériau traversé. Les données ainsi obtenues sont interprétées par des moyens de traitement, les muographes, qui permettent d'obtenir des représentations graphiques compréhensibles, les muogrammes.

Vingt ans après que Carl David Anderson et Seth Neddermeyer ont découvert en 1936 que les muons étaient générés par le rayonnement cosmique^[6], le physicien australien E.P. George fait le premier essai connu pour mesurer la densité surfacique de la roche au-dessus du tunnel Guthega-Munyang, un des éléments du réseau d'aménagement hydroélectrique des Snowy Mountains, en Nouvelle-Galles du Sud, ce au moyen des muons issus du rayonnement cosmique^[7]. Il emploie pour ce faire un compteur Geiger. Bien qu'il parvienne ainsi à ses fins, et qu'il parvienne également à confirmer ses mesures avec les résultats de carottages, en l'absence de sensibilité directionnelle du compteur Geiger, un rendu graphique était impossible.

Le premier muogramme est une matrice, faisant état du nombre d'impacts de muons, produite en 1970 par le prix Nobel de physique américain Luis Walter Alvarez^[8]. Alvarez avait installé son dispositif dans la chambre de Belzoni, au sein de la pyramide de Kephren, décidé à y rechercher d'éventuelles chambres secrètes. Il a alors enregistré le nombre de muons ayant traversé la pyramide. Avec un dispositif de comptage de particules de son invention, il réfléchit à la manière de transcrire graphiquement le flux de muons, en fonction de leur angle d'arrivée. Le muogramme ainsi produit a été comparé avec les simulations informatiques, ce qui lui a permis de conclure que Kephren ne recelait pas de chambre secrète, après plusieurs mois d'exposition.

Le travail de pionnier effectué par Tanaka et Niwa aboutit à la création de la muographie sur film, laquelle emploie une émulsion nucléaire (en). Les plaques à émulsion nucléaire ont été exposées en direction du volcan Asama au Japon, puis analysées ensuite au moyen d'un microscope mis au point par le duo, spécialement adapté pour détecter plus efficacement la trajectoire de particules chargées fixée par la plaque enduite^[9]. La muographie sur film leur a permis d'obtenir la première image de l'intérieur d'un volcan en activité, en 2007, mettant en évidence la structure de la cheminée magmatique^[10].

 

Ce type de télescope utilise des particules cosmiques, les muons qui tombent en permanence sur la terre et sont capables de franchir des roches de grande épaisseur, pour radiographier les monuments en profondeur. Il détecte en temps réel les particules cosmiques qui traversent le monument afin de visualiser sa structure interne à la manière d'une radiographie^[11].

Le télescope à muons du CEA, issu de la recherche fondamentale de l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'univers, fonctionne à partir de détecteurs gazeux micromegas contenant de l’argon^[12].

En archéologie, le télescope à muons est particulièrement utilisé dans l'archéologie spécialisée sur l'Égypte antique. Ceci permet de faire des découvertes sans abîmer le monument.

Le projet Scanpyramids a recours aux télescopes à muons.

En géologie, le télescope à muons est utilisé pour identifier les fragilités des volcans. Le grand intérêt de la tomographie muonique est qu’elle renseigne précisément sur la densité des matériaux rencontrés à l’intérieur du volcan et permet aux chercheurs d’en déterminer la nature (roche, liquide, gaz), de repérer les cavités présentes mais aussi les zones moins denses du volcan, où les fragilités sont les plus probables^[13]. Cette technique a notamment été utilisée pour ausculter la Soufrière de Guadeloupe^[13] et le puy de Dôme^[14],[15].

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Muography » (voir la liste des auteurs).

  : document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

• Laure Cailloce, « Des particules cosmiques pour ausculter les volcans », sur Journal du CNRS, 28 mars 2017 (consulté le 23 mai 2017)
• (en) L.W. Alvarez, « Search for hidden chambers in the pyramids », Science, vol. 167,‎ 1970, p. 832–839 (DOI 10.1126/science.167.3919.832, Bibcode 1970Sci...167..832A)  
• (it) Gianpaolo Bellini, « Penetrare i misteri della Terra », Le Scienze, vol. 564,‎ 2015, p. 56–63  
• (en) E.P. George, « Cosmic rays measure overburden of tunnel », Commonw. Eng., vol. 1955,‎ 1955, p. 455–457  
• (en) Henry George Liddell et Robert Scott, « γραφή », dans A Greek-English Lexicon,‎ 2016 (lire en ligne)  
• (en) David F. Mahon, « Applications of Muography », P1 Frontiers of Physics Lecture, Université de Glasgow,‎ 3 octobre 2014 (lire en ligne [PDF])  
• (en) Lucina Melesio, « The pyramid detectives », Physics World,‎ décembre 2014 (lire en ligne [PDF])  
• (en) Seth H. Neddermeyer et Carl D. Anderson, « Note on the Nature of Cosmic-Ray Particles », Phys. Rev., vol. 51,‎ 1937, p. 884–886 (DOI 10.1103/PhysRev.51.884, Bibcode 1937PhRv...51..884N)  
• (en) Ol´ah, « Close Cathode Chamber technology for cosmic particle tracking », J. Phys.: Conf. Ser., vol. 632,‎ 2015, p. 1–8 (DOI 10.1088/1742-6596/632/1/012020, Bibcode 2015JPhCS.632a2020O)  

• Etienne Klein, « La Conversation scientifique : à quoi les rayons cosmiques peuvent-ils bien nous servir ? », France Culture,‎ 31 décembre 2016 (lire en ligne, consulté le 19 janvier 2017)

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