Comment détecter les rayons cosmiques ?

 

          Les rayons cosmiques ne sont pas des rayons ! Le rayonnement cosmique est composé en réalité des particules chargées se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière. Leur composition est à 99 % de noyaux (89 % d'hydrogène, 10 % d'hélium, 1 % des autres) et à 1 % d'électrons. Ce sont donc essentiellement des protons (noyaux d'atome d'hydrogène) dont la taille infiniment petite (10-15 mètres) nous empêchent de les voir au microscope. Ces particules sont produites par des mécanismes astrophysiques plus ou moins violents, qui peuvent aller des réactions de fusion au coeur des étoiles aux phénomènes exceptionnels provoqués par des trous noirs se trouvant au centre de certaines galaxies (noyaux actifs) en passant par les supernovæ (effondrement d'étoiles à bout de "carburant"), les collisions de galaxies, etc. Ces particules de matière vont se balader pendant 20 à 30 millions d'années avant de nous parvenir. On peut détecter directement les rayons cosmiques en se plaçant hors de l'atmosphère, on doit donc placer les détecteurs dans une station orbitale ou un satellite pour être dans l'espace .Ce moyen ne nous est pas accessible. Ensuite les particules heurtent l'atmosphère terrestre, elles interagissent avec celle-ci et produisent une gerbe de particules "filles" qui atteignent le sol. En effet, au sol, on ne voit que les particules secondaires, issues de l'interaction des rayons cosmiques avec l'atmosphère. Les rayons cosmiques ont ainsi permis la découverte de nombreuses particules. Par exemple, le proton va entrer en collision avec une particule qui se trouve dans l'atmosphère, cette collision va créer des pions (p0, p+ ou p-), qui en se désintégrant vont donner des muons. C'est pour cela qu'au sol on retrouve des muons (et d'autres particules). Etudions ce qui se passe lorsqu'un rayon cosmique (ici un proton) arrive au niveau de l'atmosphère de la Terre :

 
(X correspond à une autre particule quelconque)

         Le proton tape les particules et se divise pour en créer de nouvelles qui se partagent l'énergie intiale du proton, puis ces particules vont à leur tout entrer en collision avec d'autres et en créer de nouvelles et ainsi de suite d'où la forme de la gerbe.

         Les mésons (ou pions) ne vivent que 26ns mais ils parcourent pendant ce peu de temps une très grande distance. Ce phénomène s'explique par la théorie de la relativité restreinte. En effet, grâce à elle, on sait que lorsqu'un objet (particule dans notre cas) se déplace à une très grande vitesse (proche de celle de la lumière), il apparaît alors le phénomène de dilatation temporelle, indécelable à notre échelle, à nos vitesses ordinaires car elles sont très petites devant celles de la lumière. Par exemple, une horloge à bord d'un avion commercial volant à sa vitesse de croisière devrait voler pendant environ 70000 ans pour perdre une seule seconde par rapport à la même horloge au sol. Ce ralentissement du temps et de rapport . Donc le temps passe plus lentement pour quelqu'un qui se déplace à une vitesse proche de celle de la lumière que pour quelqu'un "d'immobile". 

         De même, il apparaît , lorsqu'on se déplace à une vitesse proche de la lumière le phénomène de contraction des longueurs (dans la direction du mouvement). Donc les particules de la gerbe, comme les pions qui n'ont une durée de vie que de quelques nanosecondes, ne pourraient parcourir seulement que quelques mètres avant de "mourir" (désintégration spontanée). Mais comme ils se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière, leur temps de vie semble plus long pour nous et la longueur qu'ils parcourent leur semble plus petite, ce qui leur permet de parcourir plusieurs kilomètre dans l'atmosphère et d'atteindre le sol (ou continuer à travers la Terre) où nous pouvons les détecter.

         Nous allons donc tenter de détecter des particules issues de l'interaction des rayons cosmiques et des particules de l'atmosphère au sol (il est presque impossible qu'un rayon arrive au sol sans "accident"). On sait par ailleurs que lorsqu'une particule chargée  traverse de la matière, que ce soit un gaz, un liquide ou un solide elle  va interagir avec cette matière: par exemple, le proton va  arracher sur son passage  des électrons aux atomes qui constitue cette matière: il ionise la matière et de ce fait perd dans cette collision une partie de son énergie. Au sol il reste principalement des muons positif ou négatifs, qui sont des particules chargées, qui sont donc relativement faciles à détecter (les particules neutre électriquement interagissent que très peu, voir pas du tout avec la matière, d'où une grande difficulté pour les détecter, c'est par exemple le cas des Neutrinos). Grâce à ce phénomène de ionisation, on a développé de nombreux détecteurs de particules.         

La chambre de Wilson:

         Elle est aussi appelée la chambre à brouillard. C'est un détecteur de particules, l'un des premiers réalisés permettant la visualisation de la trajectoire des particules. La chambre contient de l'alcool (propanol) sous forme gazeuse. La vapeur est soumise à une pression et une température où elle devrait juste commencer à se liquéfier: la moindre perturbation la fait passer à l'état liquide. Cette perturbation provient du passage d'une particule, celle-ci crée des ions le long de sa trajectoire. L'alcool se condense, les premières gouttes d'alcool liquide se forment autour des ions et une trace de brouillard, qui montre la trace de la particule, est ainsi créée.

La chambre à bulles:

          Les chambres à bulles, qui ont été beaucoup plus utilisées par la suite, font l'inverse : des bulles de gaz dans un liquide dont la pression est abaissée un court instant au-dessous de sa pression d'ébullition. Des "germes" tels que des particules solides avec des ions doivent servir de point de départ à la formation des bulles gazeuses. Ainsi, si une particule de haute énergie pénètre dans un tel liquide, elle va provoquer une ionisation sur son trajet et ces ions vont servir de germes d'ébullition provoquant un chapelet de petites bulles matérialisant le trajet de la particule. Si la chambre est placée dans un champ magnétique, et si la particule est chargée, sa trajectoire est courbée et la mesure de la courbure donne une mesure de l'impulsion de la particule, le sens de la courbure donnant le signe de sa charge.

La chambre à étincelles:

          Elle permet de visualiser le passage des rayons cosmiques. Une boîte étanche est remplie d'un gaz noble comme l'hélium ou le néon. A l'intérieur, on dispose des plaques conductrices horizontales distantes de 1 cm reliées d'une part à la masse et d'autre part à une alimentation de 7000 V. Deux côtés opposés de la boîte sont pourvus d'un scintillateur qui détectent le passage des rayons cosmiques et déclenchent l'application de la haute tension sur les plaques. Les électrons sont libérés par la ionisation du gaz sur la trajectoire de la particule. La haute tension multiplie les électrons et entraînent l'apparition d'étincelles entre les plaques. Lorsque les rayons cosmiques traversent le deuxième scintillateur, la haute tension s'éteint.

(RC = Rayon Cosmique)

La chambre à fils: 

          Entre deux plaques parallèles se trouve une nappe de fils parallèles et équidistants. La tension entre fils et plaques est positive de quelques kilo Volt (1 kV = 1000 V). Si une particule traverse la chambre, elle crée dans le gaz des ions et des électrons. Les électrons se dirigent vers les fils et les électrons ionisent à leur tour le gaz d'où un effet d'avalanche. Un amplificateur branché sur chaque fil permet d'enregistrer ces impulsions

Utilisation des ondes radios:

          Depuis quelques années, la possibilité d'utiliser des ondes radios pour détecter les rayons cosmiques d’ultra haute énergie qui arriveraient sur terre est apparue. L’interaction de ces particules très énergétiques avec les constituants de l’atmosphère génère de très grandes gerbes de particules secondaires et s’accompagne de la création d’une impulsion électromagnétique qui pourrait être mesurable. Grâce aux caractéristiques de l’impulsion, il serait possible de remonter à l’énergie (amplitude du signal), à la direction (par triangulation) et à la nature de la particule primaire (forme du signal). Les avantages de ce type de détection résident dans le cycle utile qui est de 100% ainsi que dans la robustesse des systèmes de détection.

Le système scintillateur- photomultiplicateur:

          Nous choisissons ce système proposé par ECRINS, ce qui nous donne l'opportunité d'obtenir le matériel nécessaire à la détection de rayons cosmiques.