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La source de muons SμS
Dans la source de muons: les protons rapides viennent frapper sur des cibles de carbone
Les pièces maîtresses de cette source sont constituées de deux cibles en carbone sur lesquels le faisceau de protons à hautes énergies, issus de l'accélérateur de protons du PSI, vient successivement frapper. Les muons naissent de la collision entre les protons et les noyaux de carbone. En aval de ces cibles, le faisceau de protons poursuit sa route vers la cible de plomb de la Source de neutrons SINQ. De ces cibles de carbone, les muons sont dirigés vers les différents sites de mesure par des aimants. Il existe actuellement six sites de mesure au PSI pour des expériences de physique du solide menées avec des muons.
La production des muons en détail: d'abord apparaissent des pions qui se désintègrent ensuite en muons
Pour être plus précis, la collision entre des protons et des noyaux de carbone ne donne pas directement naissance à des muons, mais dans un premier temps à d'autres particules – les pions. Ces derniers se désintègrent après environ 26 milliardièmes de seconde en un muon et en un neutrino – ce dernier est une particule électriquement neutre, qui n'interagit pratiquement pas avec la matière et ne joue donc aucun rôle dans les expériences. Pour produire des muons positifs tels qu'ils sont utilisés pour les expériences de physique du solide, on sélectionne les pions qui se trouve au repos et à la surface de la cible au moment de leur désintégration. Ces pions n'ayant pas d'énergie cinétique, leurs deux produits de dégradation volent dans des directions diamétralement opposées. Leurs énergies cinétiques résulte alors du défaut de masse – ensemble, muon et neutrino ont une masse moins importante que le pion et la différence se transforme en énergie cinétique selon la célèbre formule d'Einstein E=mc2.
Ce n'est pas le seul moyen de produire des muons, mais cette méthode présente des avantages considérables par rapport à d'autres pour leur utilisation dans les recherches en physique du solide. D'une part, tous les muons générés de cette façon sont polarisés – leurs spins pointent tous dans la même direction. Étant donné que les expériences relatives au magnétisme dépendent de l'orientation du spin et que de ce fait on aurait de toute façon besoin de muons polarisés, cette propriété simplifie nettement le montage de l'expérience. De plus, les muons ainsi générés sont si lents qu'ils peuvent être arrêtés dans des échantillons de petites dimensions. Les muons générés par des méthodes issues de la physique des hautes énergies, traverseraient tout simplement de tels échantillons. Le PSI est le seul institut au monde à proposer des moyens pour réaliser des expériences avec des muons qui sont encore plus lents que ceux résultant directement de la désintégration d'un pion. Dans ce cas, on utilise une procédure particulière permettant à ces muons d'être davantage freinés pour atteindre des vitesses encore nettement plus faibles. Ces muons peuvent ensuite servir à examiner des systèmes de couche mince ou des surfaces.
Pour certaines expériences, on utilise également des muons qui se forment lors de la désintégration des pions en vol. Cela s'applique en particulier aux muons de charge négative qui ne peuvent pas être générés par la méthode décrite ci-dessus. Les physiciens des particules utilisent en partie aussi les pions eux-mêmes.