Faisceaux de muons générés par laser : la muographie fait un nouveau pas

Les muons sont des particules cousines des électrons, mais cent fois plus lourdes. Elles sont le fruit de la collision des particules cosmiques avec le noyau des atomes présents dans l’atmosphère, autour de 15 km d’altitude.

Ces particules sont connues depuis 1936. Si le muon n’a jamais quitté le devant de la scène en physique fondamentale, les travaux visant à l’utiliser en imagerie pour « voir » à travers la matière (la muographie) sont longtemps restés isolés, essentiellement pour des raisons pratiques : moyens de détection encombrants, énergivores, coûteux et moyens de calculs insuffisants. Il faudra alors attendre l’essor de l’informatique moderne et l’apparition de détecteurs plus compacts, vers la fin des années 1990, pour relancer l’intérêt de la muographie.

Depuis cette période, les projets se sont multipliés, mais c’est en 2016 que l’imagerie par muons s’est fait connaître du grand public, grâce au projet ScanPyramids visant à étudier l’intérieur des pyramides d’Égypte, notamment de la pyramide de Khéops.

Après avoir validé la performance de leurs instruments sur une cavité de 9 m² déjà connue, les physiciens de l’Irfu (CEA) ont alors eu la chance de faire une découverte majeure et historique : celle d’une cavité d’au moins 30 mètres de longueur[1].

C’était la première découverte d’une structure interne majeure au sein de la pyramide de Khéops, depuis le Moyen-Age, mais c’était aussi la première fois qu’un instrument permettait de détecter une cavité dans une pyramide, depuis l’extérieur.

La muographie a du potentiel, mais a aussi des inconvénients

Cette découverte était d’autant plus extraordinaire que la détection des muons s’avère particulièrement difficile, le principal défaut étant la lenteur du processus. La raison est simple : la muographie « classique » consiste à détecter les particules émises naturellement. Or, le flux est très faible, ce qui oblige à accumuler des données pendant des semaines, voire des mois.

Néanmoins, cette technologie non destructive et non invasive n’a cessé de progresser en dix ans. En 2022, le CEA passait ainsi à la reconstruction 3D en vue d’établir un jumeau numérique du réacteur G2 de la centrale de Marcoule, avant son démantèlement. En 2023 c’était au tour du réacteur G3 et l’occasion pour le CEA d’aller encore plus loin : prise de vue doublée (46 points de vue au lieu de 27), reconstruction 3D plus fine, meilleur traitement du signal brut, grâce à un nouveau démultiplexage par IA, débruitage qui réduit le temps de mesure, etc.

Mais, malgré les améliorations apportées, cette technique d’imagerie par détection de muons reste lente, puisqu’il aura fallu un an d’acquisition de données pour la modélisation du réacteur G3.

Vers une production artificielle de muons par laser

Pour réduire le temps d’acquisition, il faudrait pouvoir agir sur la source de muons. Or, puisqu’il n’est pas possible d’agir sur l’émission naturelle de rayons cosmiques, la solution reste alors d’en générer artificiellement.

Une équipe de chercheurs roumains a récemment démontré que l’émission artificielle de muons pouvait être utilisée en imagerie. Pour cela, elle a utilisé l’un des plus puissants lasers au monde actuellement : le laser de 10 pétawatts de l’ELI-NP (Extreme Light Infrastructure for Nuclear Physics), situé en Roumanie[2], qui est aussi le seul à pouvoir se focaliser sur des cibles solides, avec ce niveau de puissance.

Pour la génération artificielle de muons, les chercheurs se sont appuyés sur des travaux précédents[3] qui ont permis de confirmer, en 2025, que la production de muons à partir d’électrons accélérés par un champ de sillage laser était possible.

Concernant la génération de muons, le principe expérimental qu’ils ont mis en place peut être résumé ainsi :

• Des impulsions laser sont générées dans une chambre à vide.
• Le laser traverse un gaz, afin de générer un faisceau d’électrons.
• Le spectre énergétique des électrons est mesuré par spectrométrie.
• Le faisceau atteint une cible en plomb de 40x40x50 cm³, ce qui permet la production de muons.

Néanmoins, ce bloc de plomb ainsi « bombardé » n’émet pas que des muons, loin de là : il émet aussi énormément de rayons gamma et de neutrons. Pour les chercheurs, toute la difficulté était alors de contenir ce flux afin d’isoler au maximum les muons émis et d’éliminer le bruit de fond. Pour ce faire, un premier blindage composé de différents matériaux a été placé autour de la cible, afin de ralentir les neutrons et atténuer les rayons gamma à proximité du convertisseur.

Des résultats prometteurs

Une fois passé le blindage, le faisceau a ensuite touché une autre cible en plomb (l’objet à détecter, pour la génération d’image), traversé un mur de 2 mètres de béton, puis atteint trois détecteurs de muons placés dans l’axe, à différentes distances.

Bien que les clichés obtenus soient d’assez mauvaise qualité, ils ont clairement révélé la présence de l’objet à détecter. Cela démontre, d’une part, l’efficacité du blindage mis en place qui permet d’obtenir un signal dominé par les muons, et d’autre part, la faisabilité d’utiliser, en imagerie, des muons générés artificiellement.

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[1] En collaboration avec 2 autres équipes de l’Université de Nagoya et du KEK (Japon) 

[2] Il en existe une poignée dans le monde. Des lasers plus puissants sont aussi en développement, notamment en Chine, dont le laser SEL, prévu pour 2027, atteindra les 100 PW.

[3] F. Zhang et al. / D. Terzani et al.