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Muonium

Le muonium est un atome exotique formé d'un antimuon μ+ lié à un électron e−[1]. Découvert en 1960[2], il est semblable à un atome d'hydrogène, avec une durée de vie d'environ 2,2 µs, pendant lesquelles il se comporte comme un élément chimique aux propriétés voisines de celles de l'hydrogène. Il peut ainsi être considéré comme le plus léger des isotopes de l'hydrogène[3] - [4]. La nomenclature de l'UICPA lui attribue le symbole chimique Mu, avec une notation différentiée pour la particule élémentaire, le muonium lui-même, et l'anion muoniure formé de deux électrons liés à un antimuon :

Nomenclature de l'UICPA[5]
Particule Nom Symbole
µ+ antimuon Mu+
µ+e− muonium Mu•
µ+(e−)2 muoniure Mu−

Propriétés et étude du muonium

Le muonium a une énergie d'ionisation et un rayon de Bohr égaux à ceux de l'hydrogène, du deutérium et du tritium à 0,5 % près, mais sa masse représente seulement un neuvième de celle de l'hydrogène. D'un point de vue chimique, il se comporte comme un isotope radioactif ultra-léger de l'hydrogène, et la nomenclature de l'UICPA lui attribue le symbole chimique Mu[6].

Grâce à la signature caractéristique de sa désintégration, le muonium peut être aisément observé en solution aqueuse en présence d'une source de muons si l'on dispose des détecteurs de particules appropriés. La formation et la désintégration des muons violent en effet le principe de conservation de la parité, et plusieurs techniques sur la polarisation des spins des muons reposent sur cette caractéristique, permettant de connaître l'état chimique du muonium au moment de sa désintégration, c'est-à-dire d'identifier les composés moléculaires dont il faisait partie à ce moment-là. En comparant ces informations avec le muonium libre, on parvient à établir la cinétique chimique des réactions auxquelles le muonium prend part.

Le muon étant un lepton, les niveaux d'énergie du muonium peuvent être calculés avec une grande précision à l'aide de l'électrodynamique quantique, contrairement au cas de l'atome d'hydrogène, pour lequel la précision est limitée par des incertitudes au niveau de la structure même du proton. C'est la raison pour laquelle le muonium est un système idéal pour étudier l'électrodynamique quantique d'états liés et tester les limites du modèle standard[7].

L'atome exotique formé d'un muon et d'un antimuon est appelé « vrai muonium ». Il n'a pas encore été observé mais a peut-être été produit par collisions entre faisceaux d'électrons et de positons[8].

À titre d'exemple, voici un quelques composés de muonium répertoriés :

Formule Nom
Mu2 ou (µ+e−)2 dimuonium[9]
HMuO oxyde d'hydrogène et de muonium[10] (équivalent de la molécule d'eau où un H est remplacé par un Mu)
NaMu muoniure de sodium[11]
MuCl chlorure de muonium[12]
CH3Mu muoniométhane[13]
MuH hydrogène-muonium[14]
Mu− ou µ+(e−)2 ion muoniure[15]
µ+µ− muonium muonique[16], aussi nommé « vrai muonium » : équivalent du muonium où l'électron est remplacé par un muon.
Comparable à une version lourde du positronium.

Notes et références
  1. (en) « muonium », IUPAC, Compendium of Chemical Terminology [« Gold Book »], Oxford, Blackwell Scientific Publications, 1997, version corrigée en ligne : (2019-), 2e éd. (ISBN 0-9678550-9-8)
  2. (en) V. W. Hughes, D. W. McColm, K. Ziock et R. Prepost, « Formation of Muonium and Observation of its Larmor Precession », Physical Review Letters, vol. 5, no 63,‎ , p. 63-65 (DOI 10.1103/PhysRevLett.5.63, Bibcode 1960PhRvL...5...63H, lire en ligne)
  3. (en) David C. Walker, Muon and Muonium Chemistry, Cambridge University Press, 1983, p. 4. (ISBN 978-0-521-24241-7)
  4. (en) Donald G. Fleming, Donald J. Arseneau, Oleksandr Sukhorukov, Jess H. Brewer, Steven L. Mielke, George C. Schatz, Bruce C. Garrett, Kirk A. Peterson, Donald G. Truhlar, « Kinetic Isotope Effects for the Reactions of Muonic Helium and Muonium with H2 », Science, vol. 331, no 6016,‎ , p. 448-450 (PMID 21273484, DOI 10.1126/science.1199421, Bibcode 2011Sci...331..448F, lire en ligne)
  5. (en) W. H. Koppeno, « Names for muonium and hydrogen atoms and their ions(IUPAC Recommendations 2001) », Pure and Applied Chemistry, vol. 73, no 2,‎ , p. 377-379 (DOI 10.1351/pac200173020377, lire en ligne)
  6. (en) W. H. Koppenol, « Names for muonium and hydrogen atoms and their ions (IUPAC Recommendations 2001) », Pure and Applied Chemistry, Walter de Gruyter GmbH, vol. 73, no 2,‎ , p. 377–379 (ISSN 1365-3075, DOI 10.1351/pac200173020377, lire en ligne).
  7. (en) Klaus P. Jungmann, « Past, Present and Future of Muonium », Proceedings of the Memorial Symposium in Honor of Vernon Willard Hughes, New Haven, Connecticut, États-Unis,‎ (ISBN 978-981-256-050-6, DOI 10.1142/9789812702425_0009, Bibcode 2004shvw.conf..134J, arXiv 0404013v1, lire en ligne)
  8. (en) Henry Lamm et Richard F. Lebed, « True muonium (μ+μ−) on the light front », Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, vol. 41, no 12,‎ (DOI 10.1088/0954-3899/41/12/125003, Bibcode 2013arXiv1311.3245L, arXiv 1311.3245v3)
  9. (en) « CHEBI:46620 - dimuonium », sur http://www.ebi.ac.uk/, Institut européen de bio-informatique (consulté le ).
  10. (en) « CHEBI:46622 - hydrogen muonium oxide », sur http://www.ebi.ac.uk/, Institut européen de bio-informatique (consulté le ).
  11. (en) « CHEBI:46624 - sodium muonide », sur http://www.ebi.ac.uk/, Institut européen de bio-informatique (consulté le ).
  12. (en) « CHEBI:46625 - muonium chloride », sur http://www.ebi.ac.uk/, Institut européen de bio-informatique (consulté le ).
  13. (en) « CHEBI:46626 - muoniomethane », sur http://www.ebi.ac.uk/, Institut européen de bio-informatique (consulté le ).
  14. (en) « CHEBI:46627 - hydrogen muonium », sur http://www.ebi.ac.uk/, Institut européen de bio-informatique (consulté le ).
  15. (en) « CHEBI:30215 - muonide », sur http://www.ebi.ac.uk/, Institut européen de bio-informatique (consulté le ).
  16. (en) « CHEBI:46621 - muonic muonium », sur http://www.ebi.ac.uk/, Institut européen de bio-informatique (consulté le ).

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