Les physiciens des particules ont découvert un grand vide caché dans la pyramide de Khéops, la plus grande pyramide de Gizeh, Egypte - construit entre 2600 et 2500 avant JC. La découverte, Publié dans La nature , a été réalisée à l'aide d'une imagerie basée sur les rayons cosmiques et peut aider les scientifiques à comprendre comment la pyramide énigmatique a été réellement construite.

La technologie fonctionne en suivant des particules appelées muons. Ils sont très similaires aux électrons – ayant la même charge et une propriété quantique appelée spin – mais sont 207 fois plus lourds. Cette différence de masse est assez importante car il s'avère qu'elle détermine comment ces particules interagissent lorsqu'elles frappent la matière.

Les électrons hautement énergétiques émettent un rayonnement électromagnétique, comme les rayons X, lorsqu'ils frappent de la matière solide, ce qui leur fait perdre de l'énergie et se coincer dans le matériau cible. En raison de la masse beaucoup plus élevée du muon, cette émission de rayonnement électromagnétique est supprimée d'un facteur 207 au carré par rapport aux électrons. Par conséquent, les muons ne sont arrêtés si rapidement par aucun matériau, ils sont très pénétrants.

Les muons sont généralement produits dans les rayons cosmiques. La haute atmosphère terrestre est constamment bombardée de particules chargées provenant du soleil mais aussi de sources extérieures à notre système solaire. Ce sont ces derniers qui fournissent les rayons cosmiques les plus énergétiques pouvant produire des muons et autres particules dans une chaîne de réactions.

Comme les muons ont une durée de vie relativement longue et sont assez stables, ce sont les particules les plus nombreuses vues des rayons cosmiques au niveau du sol. Et bien que beaucoup d'énergie soit perdue en chemin, des muons à très haute énergie se produisent.

Faire de la science avec les muons

Les particules sont assez faciles à détecter. Ils produisent une mince traînée d'"ionisation" le long du chemin qu'ils empruntent - ce qui signifie qu'ils arrachent des électrons aux atomes, laissant les atomes chargés. C'est assez pratique, permettant aux scientifiques utilisant plusieurs détecteurs de suivre le chemin du muon jusqu'à son origine. Aussi, s'il y a beaucoup de matière sur le chemin du muon, il peut perdre toute son énergie et s'arrêter dans la matière et se désintégrer (se diviser en d'autres particules) avant d'être détecté.

Ces propriétés font des muons d'excellents candidats pour prendre des images d'objets qui seraient autrement impénétrables ou impossibles à observer. Tout comme les os produisent une ombre sur une pellicule photographique exposée aux rayons X, un objet lourd et dense avec un numéro atomique élevé produira une ombre ou une réduction du nombre de muons pouvant traverser cet objet.

La première fois que les muons ont été utilisés de cette manière, c'était en 1955, lorsque E. P. George a mesuré la couverture rocheuse au-dessus d'un tunnel en comparant le flux de muons à l'extérieur et à l'intérieur dudit tunnel. La première tentative connue de prendre un "muogramme" délibéré s'est produite en 1970 lorsque Luis W. Alvarez a recherché des cavernes étendues dans la deuxième pyramide de Gizeh, mais n'en trouva aucun.

Au cours de la dernière décennie environ, La tomographie par muons a connu un nouvel élan. En 2007, une collaboration japonaise a pris un muogramme du cratère du volcan Mt Asama pour étudier sa structure interne.

Les scans de muons sont également utilisés pour enquêter sur les restes du réacteur de Fukushima. Au Royaume-Uni, l'Université de Sheffield propose d'utiliser des mesures du flux de muons pour surveiller les sites de stockage de carbone.

Explorer Khéops

La façon la plus simple d'utiliser des muons pour étudier de gros objets tels qu'une pyramide est de rechercher des différences dans le flux de muons qui la traverse. Une pyramide solide laisserait une ombre ou une réduction du nombre de muons dans cette direction. S'il y a un grand vide creux à l'intérieur de la pyramide, le flux de muons augmentera dans la direction de ce vide. Plus la différence entre "solide" et "creux" est grande, plus cela devient facile.

Tout ce que vous avez à faire est de vous asseoir quelque part près du sol, regardez un peu vers le haut depuis l'horizon vers la pyramide et comptez le nombre de muons venant de toutes les directions. Comme les muons cosmiques ont besoin d'être assez énergétiques pour traverser une pyramide entière et que nos "yeux" détecteurs sont relativement petits, nous devons rester assis là et compter pendant un bon moment, généralement plusieurs mois afin de compter suffisamment de muons. De la même manière que nous avons deux yeux pour obtenir une image 3-D du monde dans notre cerveau, nous voulons deux "yeux" détecteurs séparés pour obtenir une image 3-D du vide à l'intérieur de la pyramide.

La chose intéressante à propos de l'approche de cette équipe est qu'ils ont choisi trois technologies de détection différentes pour étudier la pyramide. La première est un peu démodée mais offre une résolution suprême de l'image obtenue :des plaques photographiques qui se noircissent par l'ionisation. Ceux-ci ont été laissés pendant des mois à l'intérieur de l'une des chambres connues de la pyramide et analysés au Japon une fois la prise de données terminée.

Pour la deuxième méthode, des « scintillateurs » en plastique qui produisent un éclair lumineux lorsqu'une particule chargée les traverse ont été utilisés. Ces types de détecteurs sont utilisés dans plusieurs expériences modernes sur les neutrinos.

Et enfin des chambres remplies de gaz, où l'ionisation provoquée par les particules chargées peut être contrôlée, ont été utilisés pour regarder directement dans la direction de la caverne nouvellement découverte.

Le signal électronique de ces détecteurs était directement renvoyé à Paris via une liaison de données 3G. Bien sûr, une pyramide avec trois cavernes connues et une grande galerie creuse à l'intérieur est un objet un peu complexe pour prendre un muogramme (elle ne montre que la lumière et l'obscurité). Si souvent ces images doivent être comparées à une simulation informatique des muons cosmiques et de la pyramide connue, avec des verrues et tout. Dans ce cas, une analyse minutieuse des images des trois détecteurs et la simulation informatique ont abouti à la découverte d'un vide de 30 mètres de long, jusqu'ici inconnu, à l'intérieur de la Grande Pyramide de Gizeh. Quelle belle réussite pour une nouvelle boîte à outils.

La technique peut maintenant nous aider à étudier la forme détaillée de ce vide. Alors que nous ne savons rien du rôle de la structure, des projets de recherche impliquant des scientifiques d'autres horizons pourraient s'appuyer sur cette étude pour nous aider à en savoir plus sur sa fonction.

C'est formidable de voir comment la physique des particules de pointe peut nous aider à faire la lumière sur la culture humaine la plus ancienne. Peut-être assistons-nous au début d'une révolution dans la science – la rendant véritablement interdisciplinaire.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.