Les gerbes cosmiques-md

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Les gerbes cosmiques
Lorsque les Rayons Cosmiques atteignent l’atmosphère Terrestre après un long
voyage interstellaire, voire intergalactique, ils interagissent avec les atomes
d’azote et d’oxygène donnant lieu à des particules secondaires. La
désintégration de ces particules et leurs interactions avec l’atmosphère crée
une véritable cascade ou gerbe contenant des millions de particules
secondaires.
Les particules cosmiques qui atteignent l’atmosphère constituent ce qu’on
appelle les « Rayons Cosmiques Primaires ». Ce rayonnement est composé
principalement de protons (~85%), de noyaux d’Helium (~12 %) et d’une petite
proportion (~3 %) de noyaux lourds dont la masse peut dépasser la masse du
noyau de Fer. De plus, avec une quantité beaucoup plus faible, on trouve des
gammas de haute énergie et des neutrinos cosmiques. Ces Rayons Cosmiques
Primaires sont produits dans des phénomènes cosmiques violents comme les
Supernovæ, les Sursauts Gammas ou les Galaxies à Noyau Actif, par exemple.
FIGURE 1 : Credit : Asimmetrie / INFN
Le flux de rayons cosmiques incident sur Terre s’étale sur plus de 30 ordres de
grandeur. A basse énergie (~ 109 eV
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), en moyenne, une particule cosmique par
m2 et par seconde atteint la Terre. A ces énergies, le flux des Rayons Cosmiques
Primaires est influencé par l’activité solaire car le vent solaire repousse les
rayons cosmiques les moins énergétiques. Aux énergies extrêmes (~ 1020 eV) le
flux est très faible, inférieur à une particule par km2 et par siècle. L’énergie de
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1 eV correspond à l’énergie que possède 1 électron quand il est accéléré entre deux électrodes dont la
différence de potentiel est de 1 volt. C’est un millième de milliardième de l’énergie d’un moustique en plein
vol.

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ces cosmiques ultra-énergétiques est dix millions de fois supérieure à celle
atteinte au plus grand accélérateur de particules du monde au CERN, le LHC.
FIGURE 2 : Credit ??
Suivant la nature et l’énergie de la particule considérée, les Rayons Cosmiques
Primaires vont générer dans les premières couches atmosphériques (entre 15
et 20 km d’altitude) des cascades électromagnétiques ou hadroniques. Celles-ci
renferment des photons de haute énergie (des gammas), des électrons et des
positrons (antiélectrons). Les électrons et positrons, freinés dans le champ
électrique des atomes, génèrent à leur tour des photons énergétiques lesquels
se matérialisent en une nouvelle paire électron-positron. De proche en proche,
la cascade électromagnétique s’enrichit en particules et s’étale. Avant d’être
absorbée dans l’atmosphère, elle peut atteindre plusieurs kilomètres de
diamètre. Les cascades hadroniques proviennent de la production de pions, et
dans une bien moindre mesure de kaons, générés lors de l’interaction des
Rayons Cosmiques Primaires sur la matière. Ces particules, dont la vie moyenne
est extrêmement courte (26 ns pour les pions chargés (+-) 12 ns pour les kaons
chargés, 8.10-16 ns pour les pions neutres), se désintègrent à leur tour en
muons et neutrinos. Finalement les muons dont la vie moyenne est de 2.2 s,
se désintègrent en électrons ou positrons et deux neutrinos. Comme pour la
cascade électromagnétique, après un développement maximum qui a lieu vers
une dizaine de kilomètres de son point d’origine, et qui peut couvrir une région
de l’ordre de 10 km de diamètre, la cascade hadronique est absorbée dans
l’atmosphère. L’étude de ces « grandes gerbes » dans le massif de la
Jungfraujoch
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permit à Pierre Auger de mettre en évidence, en 1938, l’énergie
colossale de ces particules cosmiques.
L’absorption des particules dans l’atmosphère fait apparaitre deux
composantes de Rayons Cosmiques Secondaires, la composante « molle » et la
composante « dure ». La première est formée par des électrons et des gammas
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Alpes bernoises, 3 471 mètres

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qui peuvent être arrêtés par quelques centimètres de blindage. La composante
« dure » est constituée principalement par des muons. Ces particules, 200 fois
plus lourdes que les électrons, sont ~40000 fois moins absorbées dans la
matière. Ainsi, des muons atmosphériques, peuvent être observés même à
plusieurs kilomètres sous terre.
Au niveau de la mer, à part la composante « molle », l’immense majorité des
particules créées dans l’atmosphère est formée par des muons (~30%) et des
neutrinos (~70%). Les neutrinos, étant des particules neutres, presque sans
masse et interagissant avec la matière seulement par interaction faible sont
presque indétectables et traversent la Terre sans souffrir d’aucune
perturbation. Le flux de muons de son côté est d’environ une particule par cm2
et par minute. Le corps d’une personne au niveau de la mer est ainsi traversé
par environ 100 000 muons au cours d’une heure.
FIGURE 3 : Credit : CERN
FIGURE 4 :