grenoble

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Remerciements
Tout au long de ce projet, nous avons bénéficié d'une aide précieuse de plusieurs personnes
que nous tenons à remercier.
Tout d'abord, Monsieur François Montanet, enseignant chercheur au Laboratoire de Phy-
sique Subatomique et de Cosmologie de Grenoble LPSC, qui nous a permis de découvrir de nom-
breux projets de recherche, nous donnant ainsi une large idée de ce qui se fait dans ce domaine.
Soulignons également son aide quant au traitement des données accumulées durant nos expériences.
Nous tenons aussi à adresser nos remerciements à Monsieur José Busto, enseignant cher-
cheur au CPPM, Centre de Physique des Particules de Marseille, qui a géré la maintenance de la
Roue Cosmique, nous permettant ainsi de l'avoir avec nous lors de la soutenance orale régionale.
Un grand merci également à Madame Florence Calmels, notre professeure de Mathéma-
tiques, pour le cours qu'elle nous a présenté sur la fonction exponentielle. Ainsi qu'à Madame Patri-
cia Buër, proviseure de notre lycée, pour avoir accepté que nous puissions travailler sur ce projet
pendant les heures d'aide personnalisée.
Enfin, nous tenons bien sûr à remercier Madame Nadège Buriller, qui s'est énormément in-
vestie dans ce projet, en nous encadrant et nous soutenant jusqu'à son aboutissement.
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Sommaire
Résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 4
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 5
I - Création de la pluie céleste
1 - Origine du rayonnement cosmique primaire et spectre en énergie . . . . . . . . . . . . . . page 6
2 - Les différentes composantes de la gerbe cosmique : création du muon . . . . . . . . . . page 8
II - Comment détecter le muon à la surface de la terre
1 - Fonctionnement de la Roue Cosmique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 11
a - Interaction matière/muon dans le scintillateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 11
b - Fonctionnement du photomultiplicateur: effet photoélectrique . . . . . . . . page 12
c - Transformation du signal analogique en signal numérique . . . . . . . . . . . . page 14
d - Pourquoi travailler en coïncidence avec des raquettes ? . . . . . . . . . . . . . . page 14
2 - Calibration du matériel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 15
a – Détermination de la tension d'alimentation d'un photomultiplicateur . . . . page 15
b – Détermination de la tension seuil du discriminateur . . . . . . . . . . . . . . . . page 17
III - Pourquoi détecte-t-on des muons au niveau du sol ?
1 - Il y a un problème . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 18
2 - Dilatation des durées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 18
3 - Il n'y a plus de problème . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 21
IV - Établissement de la loi de décroissance d'une population de
muons
1 - Désintégration spontanée du muon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 22
2 - Evolution d'une population de muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 23
a - La tragique histoire des fourmis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 23
b - Loi de décroissance radioactive d'une population de muons . . . . . . . . . . . page 25
3 - Description du dispositif expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 26
4 - Traitement des données et ajustement du modèle avec la loi du khi 2 . . . . . . . . . . page 28
V - Le milieu de désintégration du muon a-t-il un effet sur la durée de
vie moyenne?
1 - Questionnement: le muon étant semblable à l'électron peut-il interagir avec le
noyau des atomes qui compose la matière? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 31
2 - Protocole expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 34
3 - Traitement des données et ajustement du modèle avec la loi du khi 2 . . . . . . . . . . page 35
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 38
Bilan Personnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 39
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 39
Annexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 40
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Résumé
Notre projet s'organise autour des muons, particules provenant des rayons cosmiques qui
bombardent constamment le sol. Nous les avons détectés à l'aide d'un télescope à muons appelé
Roue Cosmique.
Dans un premier temps, nous nous sommes interrogés sur la faisabilité d'une telle détection.
En effet, l'existence de muons au niveau du sol se révèle théoriquement impossible au vue de leur
durée de vie moyenne. Nous avons dû faire quelques calculs relativement simples pour montrer la
dilatation des durées dans un référentiel galiléen et prouver que nous sommes bien arrosés par une
pluie de muons.
Dans un second temps, nous nous sommes concentrés sur la détermination expérimentale de
la durée de vie moyenne des muons. Nous avons mis en œuvre un protocole expérimental basé sur
la mesure de la durée START/STOP entre deux impulsions électriques créées lors de la désintégra-
tion spontanée du muon.
Puis, nous nous sommes demandés si la durée de vie moyenne des muons pouvait dépendre
de la nature du milieu dans lequel ils se désintègrent. Ceci nous a amenés à découvrir une sensibilité
du proton à une interaction qui nous était encore inconnue: l'interaction faible.
Notre travail apporte alors une réponse à la problématique suivante:
Battle au sein de la matière:
comment le muon teste-t-il la force faible du proton ?
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Introduction : comment avons nous été amenés à travailler sur
ce projet scientifique?
Le dispositif d'initiative ministérielle Sciences à l'Ecole prête à notre établissement, depuis
mars 2011, un télescope à muons nommé Roue Cosmique. Nous possédons ce matériel suite une de-
mande de Madame Nadège Buriller, professeur de Sciences Physiques, qui souhaitait inscrire le ly-
cée Marie Reynoard à l'action didactique Cosmos afin d'initier les lycéens à la physique des parti-
cules.
Le cosmodétecteur a été conçu par une équipe du Centre de Physique des Particules de Mar-
seille, CPPM, dirigée par Monsieur José Busto, enseignant chercheur. Ce matériel a été réalisé en
collaboration avec l'Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules, IN2P3,
ainsi qu'avec le CERN, Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire.
Lors d'un stage, réalisé en janvier 2011 au CPPM, pour apprendre à utiliser la Roue Cos-
mique, Madame Buriller rencontre pour la première fois Monsieur François Montanet, enseignant
chercheur au Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie de Grenoble, LPSC. Mon-
sieur Montanet était venu à Marseille faire une conférence intitulée: La grande aventure des rayons
cosmiques. Cette dernière clôturait les 3 jours de stage.
Pensant aux Olympiades de Physique 2013, Madame Buriller a repris contact avec Monsieur
Montanet début 2013 afin qu'il lui soumette des sujets de projet avec la Roue Cosmique, suscep-
tibles d'être traités par des lycéens. L'un d'eux a retenu son attention car en lien avec le programme
de Sciences Physiques de la classe de terminale S. Il s'agissait d'essayer de montrer l'influence de la
nature du matériau, dans lequel le muon se désintègre, sur sa durée de vie moyenne.
En mars 2013, Madame Buriller a demandé à prolonger le prêt de la Roue Cosmique jusqu'à
l'aboutissement du projet. Le comité scientifique de Sciences à l'Ecole a accepté, la recherche
d'élèves volontaires peut débuter...
Le lycée a reçu fin 2012, une exposition IN2P3 nommée "Les mystères des rayons cos-
miques" prêtée par Madame Corinne Bérat, chercheure au LPSC, pour fêter les 100 ans de la décou-
verte des rayons cosmiques.
Pour cette occasion, Madame Buriller ayant Edouard durant son année de seconde dans le
cadre de l'enseignement d'exploration MPS, s'est rendu compte qu'il était très intéressé par la phy-
sique des particules. Elle lui a alors proposé en septembre 2013 de participer à ce projet. Ce dernier
a accepté et s'est mis à son tour à la recherche d'équipiers qu'il trouvera très vite: Axel et moi, Ba-
sile. En effet, nous avons été tous les trois motivés par cette partie de la physique pour laquelle nous
avions aucune connaissance voire nous ignorions son existence.
Fin septembre, nous avons commencé notre travail de chercheurs sur les plages horaires de
l'aide personnalisée et des séances d'élaboration du TPE (Travail Personnel Encadré).
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