L `aventure des rayons cosmiques

L 'aventure des rayons cosmiques
A la conquête de l'extrême
Etienne PARIZOT
Château de Gouttelas - 05 juin 2003
Notes Pascal CHASSANG
Les Rayons Cosmiques [RC] sont responsables des mutations dans l'histoire de la Terre, et augmentent
les statistiques de cancers pour le personnel navigant et des astronautes.
PLAN :
1- Historique
2- RC Ultra Energétiques RCUE
3- Idées générales sur l'origine des RCUEs
4- Observatoire Pierre Auger et EUSO en Argentine
Au 19ème siècle
- Unification de l'électricité et du magnétisme (électromagnétisme) et identification de la nature de la
lumière comme une onde électromagnétique [OEM] (propagation de champs magnétique et
électrique) : Faraday (fils de paysan, génie), Maxwell, Hertz
- Théorie atomique primitive de la matière (noyaux et électrons encore inconnus) : Démocrite, Dalton,
Avogadro, Mendeleïev
- 1855 : pompe à vide de Geissler
- 1879 : tube de Crookes  rayons inconnus
- 1897 : Thomson identifie l'électron, de masse 2000 fois plus faible que l'atome d'H. C’est le lancement
de la physique subatomique.
- 1895 : découverte des Rayons X [RX] par Röntgen
- 1896 : découverte de la radioactivité de l'uranium par Becquerel
- 1898-1900 : Pierre et Marie Curie, Rutherford comprennent qu'il y a plusieurs types de radioactivité
(alpha, bêta, gamma). A chaque fois qu'on découvre un rayonnement nouveau, on se demande si
c'est de la matière ou de la lumière. Ils appellent « radium » n’importe quel corps qui émet, comme
le bismuth radioactif par exemple.
Au 20ème siècle
- Wilson remarque que les électroscopes1 se déchargent tout seuls sous terre aussi bien que sur terre,
c'est la radioactivité naturelle, effet dominant. Et au sommet de la tour Eiffel, l'électroscope se
décharge moins vite, mais pas autant que ce qui était prévu (en 80 m d’épaisseur d’atmosphère, il n’y
a que la moitié du rayonnement qui passe.) Donc « ça » venait d'au dessus…
- 1912 : le baron Victor Hess monte en ballon à 5350 m : découverte du rayonnement cosmique. Mais
on ne sait toujours pas ce que c’est jusqu’en 1928.
- 1914 : Kolhörater monte à 9 Km
- Robert Millikan pense que les rayons de Hess sont des rayons gamma, d'où le terme de rayons
cosmiques.
- 1929 : Bothe Kohlörster montre qu’ils sont chargés ! Donc c’est de la matière et pas des rayons
gamma, mais Milikan est prix Nobel et ne veut pas en démordre…
Un électroscope se charge en mettant des charges dessus (les aiguilles s'éloignent), et se décharge en l'exposant à un
rayonnement (l'ionisation du milieu fait se combiner les charges et les aiguilles redeviennent neutres donc se rapprochent).
1
- Skobeltzyn montre aussi que c’est de la matière grâce aux chambres à bulles2, mais rien n’y fait.
- C'est enfin un autre prix Nobel, Compton, qui lui fait rendre raison grâce à l’effet de latitude (effet
du champ magnétique terrestre) : il envoie 60 chercheurs dans le monde le vérifier.
Les rayons cosmiques
Leur composition est à 99 % de noyaux (89 % d’H, 10 % d’He, 1 % des autres) et à 1 % d’électrons.
C’est la composition de la matière de l'univers. Ces particules de matière sont accélérées et vont se
balader pendant 20 à 30 millions d'années avant de nous parvenir.
Il tombe sur la Terre 4 rayons cosmiques par cm2 d'atmosphère, soit 1 kg par an, ce qui est peu
comparé aux nombreuses tonnes de météorites.
Au sol, on ne voit que les particules secondaires, issues de l'interaction des rayons cosmiques avec
l'atmosphère. Les RC ont ainsi permis la découverte de nombreuses particules.
Les gerbes atmosphériques
Ce sont des averses soudaines de particules, découvertes par Pierre Auger, résultant d’un seul RC
initial d’énergie colossale.
Elles peuvent couvrir 1000 m2 avec plusieurs dizaines de milliers de corpuscules dont la moitié peut
passer 5 cm de Pb. L’énergie initiale est stupéfiante : 1015 eV ! Leur vitesse relativiste fait qu’1 Km
correspond à 1 mm et 3 semaines à 1 seconde. Il a même été découvert en 1962 un RC de 1020 eV, soit
l’énergie d'une balle de tennis à 100 Km/h pour une particule !
Observatoires
En 40 ans, 20 RCUE ont été découvert. L’objectif est de passer à un rythme de 100 par an.
L’observatoire Pierre Auger en Argentine va couvrit 3000 km2 avec 1600 cuves de 3 m de diamètre.
Le projet EUSO est de regarder l'atmosphère par-dessus sur un rayon de 230 Km. Il est prévu à partir
de 2008 et devrait être installé dans un module Colombus de l’ISS.
La chambre à brouillard (ou à bulles) de Wilson : une détente d'air chargé en vapeur d'eau fait condenser l'eau (baisse de
température) autour de « germes » constitués par les particules. Quand la particule passe, on voit sa traînée et on prend une
photo.
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