Evolution avec l'altitude du flux de rayonnement cosmique : sur les traces de Pfotzer (1936)

Résumé du document

Le rayonnement cosmique est composé de particules chargées de haute énergie, provenant de l'espace, qui voyagent à des vitesses frôlant la vitesse de la lumière, et qui frappent la Terre de toutes les directions. Ils ont été découverts par VICTOR HESS en 1912, lors d'une ascension en ballon : il remarqua que ses électroscopes déchargeaient plus rapidement à mesure que l'altitude augmentait (il reçut le Nobel en 1936 pour cette découverte). Dans les années 30, on comprit aussi que le rayonnement cosmique était composé de particules chargées, car leur trajectoire est affectée par le champ magnétique terrestre. Entre les années 30 et 50, le rayonnement cosmique permit la découverte de particules subatomiques, telles que le positron ou le muon. On classe usuellement les différents types de rayonnement cosmique en trois catégories :

- Les rayons de basses énergies (typiquement 10 à 100 MeV) produits principalement par le Soleil.
- Les rayons de moyennes énergies (10 MeV à 1 GeV) notamment produits par les explosions des supernovae de la galaxie.
- Les rayons de hautes énergies (> 1 GeV) dont les sources sont encore peu connues.

Les physiciens tentent de comprendre ce phénomène, car il permet d'obtenir des informations sur les particules subatomiques, mais également potentiellement sur la matière noire. Ces rayons, nous allons le voir, se désintègrent en gerbes dans l'atmosphère et ne présentant aucun risque pour nos organismes. Ils sont cependant dangereux dans l'Espace ou en haute altitude : les astronautes et autres pilotes de ligne y sont exposés : il existe une législation internationale limitant leurs heures de vol au dessus d'une altitude critique ([environ] 15 km). Enfin, le rayonnement cosmique, en impactant de petits composants électroniques (qui deviennent toujours plus petits), peut causer des pannes. Une machine de vote électronique dans un bureau de Bruxelles a récemment enregistré 4096 votes de trop, sans doute dû un impact de rayonnement cosmique. C'est pour cette raison que IBM mène depuis plus de 30 ans un vaste programme de recherche à ce sujet, au sein du Material Analysis and Radiation Effects Group. En France, le LPSC (Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie de Grenoble) abrite de nombreux chercheurs et ingénieurs étudiant ce phénomène, en particulier dans le cadre de collaborations internationales, telles que l'observatoire Pierre-Auger, l'expérience en vol AMS, CREAM (...)

Extraits

[...] Puis a aide un champ electrique , on focalise tous ces electrons sur la dynode suivante, ou le processus de multiplication se repete . Pour creer les di erences de potentiel, on utilise en general un pont diviseur de tension a resistances , aux bornes duquel est connectee la source haute tension. En tous les electrons sont recuperes par une grille anodes situee apres la derniere dynode. Par suite, on de nit le gain G du PM par la formule : nb 0 electrons 0 anode G = nb d 0delectrons a a l cathode = Nee fi . [...]

[...] Si V est une fonction de n grandeurs V1 ; V2 ; ; Vn alors incertitude se calcule de la sorte : q Pn k @Vk Vk S ec tio n 4 En supposant que : ? Les incertitudes sont independantes , ? Les incertitudes individuelles suivent une statistique gaussienne ( pour appliquer le theoreme de la limite centrale) , ? k n , La fonction V est correctement approchee par sa meilleure approximation a ne entre Vk + Vk et Vk ? [...]

[...] 1 Les scintillateurs sont recouverts un lm noir totalement impermeable a la lumiere ambiante pour que seules les particules chargees issues du rayonnement cosmique puissent ^etre vues par les detecteurs . Les photons ainsi produits sont ensuite achemines vers les photomultiplicateurs a aide de prismes ( ou guides de lumiere ) . L ' experienc e 9 Les photomultiplicateurs ( PM) Les PM sont tres utilises dans les experiences astrophysique, car ils ont notamment un tres bon temps de reponse . [...]

[...] integralite des resultats experimentaux obtenus est donnee dans les tables en annexe. On a trace par suite les courbes theo = f ( z ) et exp = z ) : F i g u re - C ou rb e exp eri m en ta l e et m od el e th eori q u e I B M ( a vec l e m ^ e em dence les barres erreur verticales et horizontales. Remarque 2. Pour la seconde courbe, quand pour une altitude donnee on avait des points experimentaux multiples, on a bien sur pris comme valeur nale pour le ux la moyenne des valeurs de ux trouvees experimentalement . [...]

[...] experience Dans cette partie, on de nit le materiel utilise pour la mesure du ux de rayonnement cosmique, et on de nit le protocole experimental . En on decrit la prise de mesure, en particulier les conditions de experience et les problemes rencontres Le materiel Le dispositif experimental , permettant de detecter les particules du rayonnement cosmique, est un ensemble de composants relies entre eux, comme le montre la photo ci-contre : F i g u re 5 - Ap ercu gen era l d e l ' exp eri en ce 8 S ec tio n L'alimentation alimentation des appareils de mesure est assuree par batterie. [...]