Les rayons cosmiques : historique et enjeux actuels - IPN - IN2P3

ait entre 2 électrodes sous haute tension le courant induit par les particules
ionisant le gaz sous faible pression. Lorsque l’on applique des hautes tensions
plus élevées, les électrons arrachés entretiennent l’ionisation et on est alors en
régime saturé : c’est le principe du fameux compteur Geiger Müller (GM) mis
au point en 1929, qui permet non seulement de détecter des évènements individuels
mais aussi de déterminer leur temps d’arrivée et donc peut être utilisé
pour des mesures en coïncidences. Dès 1936, on réussit à automatiser ce type de
détecteur pour pouvoir aller encore plus haut dans l’atmosphère. Les émulsions
photographiques utilisant du bromure d’argent furent aussi utilisées, en particulier
dans des ballons stratosphériques. Même si ces détecteurs ne permettent
pas de mesure de temps, ils impriment la trace des particules ionisantes qui les
traversent, et sont d’autant plus efficaces qu’ils sont épais.
1.4 Découverte des gerbes de rayons cosmiques
En 1938, le physicien Pierre Auger, qui avait installé dans les Alpes des
compteurs GM, nota l’arrivée simultanée de particules dans ses détecteurs,
même lorsqu’ils étaient distants de plusieurs dizaines de mètres. La fréquence
de ces événements cohérents était bien au delà du taux de coïncidences fortuites
attendu. Il venait de découvrir les grandes gerbes atmosphériques, créées par
l’interaction de rayons cosmiques avec les particules de l’atmosphère. Il s’agit de
cascades de particules secondaires, qui se multiplient par chocs successifs, créant
une gerbe de plus en plus fournie puis qui s’atténue progressivement quand
l’énergie des particules n’est plus suffisante pour l’alimenter. Plus l’énergie du
rayon cosmique initial est élevée et plus la surface couverte au sol par la gerbe
induite est large. Auger déduisit de ses mesures que les particules qu’il observait
atteignait le milliard de Giga ElectronVolt.
Il faut souligner que des gerbes initiées par des rayons cosmiques ont été
également observées en laboratoire à la même période, notamment par Rossi
dans une chambre à brouillard équipée de couches de plomb (figure 4). Ce
détecteur permet de visualiser à beaucoup plus petite échelle (sur typiquement
10 cm au lieu de 5 km) ce qui se passe dans l’atmosphère.
Les grandes gerbes atmosphériques vont s’avérer un outil essentiel pour
l’étude des rayons cosmiques de haute énergie, comme nous le verrons plus
loin.
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