Des particules qui se déplaceraient plus vite que la lumière, vous trouveriez ça bizarre, non ? Et si je vous disais que la vitesse de la lumière varie en fonction du milieu ? Oui, oui ! Dans la glace, elle est d’environ 229 000 km/s ; dans l’eau de 225 000 km/s et dans le vide de 300 000 km/s.

Selon la théorie de la relativité restreinte d’Einstein, un corps matériel ne peut se déplacer plus vite que la lumière dans le vide. Mais dans un autre milieu que le vide, rien ne l’interdit ! Et il y a bien des particules, les muons, qui se déplacent bien plus vite que la lumière. Mais d’où proviennent-elles et comment les scientifiques ont-ils déterminé leur vitesse ?

L’origine des muons

Considérons une étoile dont la masse est d'au moins deux fois la masse de notre soleil. À la fin de sa vie, elle pourra exploser en ce que les chercheurs appellent « une supernova ».

Cet événement libèrera une quantité gigantesque d’énergie comparable à celle que notre soleil émettrait en 10 milliards d’années. De nombreux scientifiques pensent que des particules seraient accélérées au sein même de ces supernovæ. 

Ces particules, constituant ce que les chercheurs appellent le rayonnement cosmique, sont en majorité des particules chargées telles que des protons, des noyaux d’hélium, des électrons. Des particules neutres sont également présentes telles que les neutrinos, les photons ou encore les neutrons.

Ces particules circulent à travers le milieu interstellaire et ont une énergie très élevée, pour celles qui seront détectées sur Terre. Lorsqu’elles arrivent jusqu’à la Terre elles interagissent avec l’atmosphère terrestre et produisent une cascade de nouvelles particules dites secondaires. Parmi les particules atteignant le sol : les MUONS !

Détermination de la vitesse des muons grâce à l’effet Tcherenkov

Les muons pourront arriver jusqu’à une cuve à eau ou un grand volume de glace et un ou plusieurs détecteurs de photons. Leur vitesse dans l’eau ou la glace sera supérieure à la vitesse de la lumière. Les muons étant chargés, ils perturberont l’équilibre énergétique des atomes constituant l’eau. Il y aura alors production de photons. L’émission de photons se manifestera sous la forme d’une lumière bleue, et permettra aux atomes de retrouver leur équilibre énergétique initial. C’est en 1958, Pavel Tcherenkov, Ilia Frank et Igor Tamm recevront le prix Nobel pour leurs travaux sur cette émission de lumière bleue qui sera baptisée l’effet Tcherenkov.

De nos jours, l’effet Tcherenkov est largement utilisé en physique, il permet en particulier la détermination de la masse, ou encore de la vitesse de particules avec très peu de données initiales. C’est ainsi, que l’on a pu mettre en évidence qu’il était possible pour une particule, dans ce cas-là le muon, de dépasser dans l’eau ou la glace, la vitesse de la lumière !

Emma Bellavia