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

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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. 4
Fig. 4: Gerbes initiées par des protons dans des couches de plomb dans une chambre à brouillard 1.5 Vers la physique des particules Entre les années 1930 et 1950, les rayons cosmiques ont suscité un immense intérêt de la part des chercheurs, car cette source naturelle de rayonnement de haute énergie a ouvert le champ d’investigation des particules sub-nucléaires. Après la découverte en 1932 par Anderson du positron, la première particule d’anti-matière, ce fut le tour du muon en 1937, une nouvelle particule de masse intermédiaire entre l’électron et le proton, particulièrement pénétrante. Puis en 1947, des pions laissèrent leurs empreintes dans des émulsions en altitude, confirmant l’existence de particules d’échanges entre noyaux et nucléons avancée par Yukawa. La physique des particules était née, attirant bon nombre de physiciens auprès de tous nouveaux accélérateurs de particules. Mais depuis leur découverte les rayons cosmiques ont continué à faire l’objet d’études approfondies et sont plus que jamais au cœur de l’actualité scientifique. 5
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