INTRODUCTION

La terre est sans cesse soumise à une pluie de particules qui nous viennent de l'espace. Les rayons cosmiques, notre seul contact matériel avec le vaste univers, ont provoqué, depuis leur découverte, autant d'étonnement que d'études poursuivies avec assiduité. Ils nous atteignent, animés d'une énergie qui excède de loin tout ce qu'il est possible de produire sur notre globe. C'est au cours de recherches poursuivies sur les rayons cosmiques qu'ont été découvertes tant de nouvelles particules élémentaires, le positon, les divers mésons, les particules V, et d'autres, que l'on découvre presque chaque jour (on connaît actuellement plus de 200 particules fondamentales).

Yves Boncompain

HISTORIQUE

Les rayons cosmiques furent découverts au début du XX^ème siècle d'une façon bien indirecte. C'est en étudiant l'ionisation des gaz que Wilson ESTER et GEITEL furent gênés par un phénomène d'ionisation résiduelle, qu'un blindage suffisant de plomb autour de l'appareil diminuait sensiblement. On était donc en présence d'une nouvelle radiation fort pénétrante, mais on ne connaissait rien de son origine.

Des expériences en ballon à plus de 5000 mètres montrèrent que I'ionisation s'accroît considérablement avec l'altitude. On en conclut que cette radiation était dirigée de haut en bas et avait très probablement une origine extraterrestre.

TECHNIQUES EXPERIMENTALES

Les techniques employées pour l'étude des rayons cosmiques sont les techniques ordinaires de détection des particules atomiques. Elles sont toutes, ou presque, basées sur le phénomène de l'ionisation.

On peut utiliser directement les propriétés électriques des ions comme dans les compteurs proportionnels, les compteurs Geiger-Muller, les chambres d'ionisation, les chambres à bulles ou les émulsions nucléaires.

RESULTATS DES RECHERCHES

L'utilisation de ces différents procédés permit d'apporter quelques éclaircissements quant à la composition et à l'origine du rayonnement cosmique.

Les premiers caractères observés de ces rayons furent leur grande pénétration et leur rareté. Avec une chambre Wilson, on constate que la plupart des clichés présentent les caractéristiques suivantes :

1. Environ 80% contiennent une seule particule chargée, les autres présentent des particules associées (gerbes).

2. Sur tous ces clichés, il existe des particules chargées des deux signes en proportion sensiblement égale.

3. En plaçant un écran de plomb à l'intérieur de la chambre, on peut voir dans certains cas les rayons se multiplier dans cet écran. De plus, certaines particules sont créées dans l'écran par un rayonnement invisible, donc par une particule non ionisante.

On divisa les particules cosmiques au niveau du sol, donc secondaires, en deux composantes :

1. La composante molle, formée par les rayons qui peuvent se multiplier dans les écrans et qui, de ce fait, perdent rapidement leur énergie, et sont donc peu pénétrants (arrêtés par 10 cm de plomb) constitués par des photons et électrons.

2. La composante dure : il subsiste encore 50 % de cette composante après la traversée d'un écran de 1 mètre de plomb, constituée essentiellement par une nouvelle particule découverte en I938 de masse intermédiaire entre celle de l'électron et celle du proton et appelée méson.

Mais ces particules sont secondaires, car créées par le choc des particules cosmiques primaires (c'est-à-dire venant directement du cosmos) avec les atomes et ions de l'atmosphère.

Le laboratoire d'étude des rayons cosmiques

COMPOSANTE NEUTRONIQUE DU RAYONNEMENT COSMIQUE :

En effet, les rayons primaires pénétrant dans l'atmosphère rencontrent des noyaux d'Azote et d'Oxygène composant celle-ci. Et étant donnée leur grande énergie, ils provoquent des réactions nucléaires complexes. Le noyau sera détruit partiellement, ou même complètement, par le choc du projectile, qui projette un premier nucléon qui, à son tour, va heurter d'autres nucléons, et ainsi de suite. Les nucléons, après un certain nombre de chocs, finissent par devenir trop lents pour provoquer une nouvelle destruction. Les protons achèvent de perdre leur énergie par ionisation des atomes, par contre les neutrons se ralentissent seulement par chocs. Au niveau de la mer, ce sont les seuls vestiges de faible énergie des rayons primaires qui permettent d'étudier les variations de la partie la moins énergique du spectre des primaires.

La composante neutronique est assez considérable. On admet que le nombre de neutrons arrivant au sol est environ 50 fois celui des protons primaires incidents.

VARIATIONS D'INTENSITE DES RAYONS COSMIQUES :

Au cours des différentes expériences, on a pu mettre en évidence des phénomènes qui produisaient une variation d'intensité dans le rayonnement cosmique; c'est ainsi que fut découvert l'EFFET BAROMETRIQUE : l'intensité s'accroît lorsque la pression atmosphérique décroît, ce qui s'explique par le fait qu'il y a absorption du rayonnement par les couches d'air situées au-dessus des appareils.

L'EFFET de LATITUDE : l'intensité diminue lorsqu'on se rapproche de l'équateur, conséquence du champ magnétique terrestre qui dévie les particules chargées.

On a pu constater également des variations en fonction de l'heure solaire, puis de l'heure sidérale, et de grands accroissements subits associés avec des éruptions solaires. Il a été prouvé que les primaires de faible énergie sont plus affectés que ceux de grande énergie, puisqu'à une augmentation de 11% de mésons, correspondait, au cours d'une même éruption, une augmentation de 550% de neutrons.

Depuis la découverte en 1932 d'ondes radio d'origine extraterrestre, on a pu montrer l'existence de corrélations entre celles-ci et le rayonnement cosmique.

C'est en se basant sur ces différents résultats que plusieurs théories ont été avancées sur l'origine des rayons cosmiques, dont les sources seraient le soleil, les étoiles et même les supernovae. Une supernova est une étoile qui éclate dans une gigantesque explosion. Les rayons cosmiques seraient des produits secondaires d'une telle explosion.

On peut espérer que la collaboration des astrophysiciens, des radioastronomes et des cosmiciens, permettra de réaliser des progrès importants dans ce vaste domaine de recherches.

APPLICATIONS

L'étude des rayons cosmiques a apporté et apportera encore de nombreuses contributions à bien des sciences, principalement la physique nucléaire.

Dans notre voisinage, il peut nous fournir des renseignements précieux en météorologie. Il n'est pas jusqu'à la biologie qui ne se préoccupe des rayons cosmiques. L'ionisation de l'atmosphère leur est en grande partie imputable, et ceci conduit à des conséquences pratiques très importantes pour les vols stratosphériques et surtout astronautiques.

Une application, assez inattendue, est celle qui concerne la détermination des périodes historiques. Une des conséquences du flux neutronique est de transformer l'Azote 14 en radiocarbone 14, produisant du gaz carbonique actif qui, absorbé par la fonction chlorophyllienne, marque les végétaux et, par suite, les animaux qui s'en nourrissent. Le dosage du radiocarbone permet de dater l'époque de leur mort.

L'ETUDE DU RAYONNEMENT COSMIQUE A KERGUELEN

D'après ce qui précède, nous savons que le rayonnement cosmique subit l'influence du magnétisme terrestre et des couches atmosphériques. Il sera donc avantageux pour l'étude de ce rayonnement de minimiser au maximum ces effets en plaçant des détecteurs de rayons cosmiques en altitude ou à proximité des pôles. La France possède trois de ces stations "réceptrices" : l'une au sommet du Pic du Midi, l'autre en Terre Adélie, la troisième à Kerguelen. Dans chacune de ces stations, nous mesurons principalement la composante neutronique du rayonnement primaire.

DETECTION DES NEUTRONS :

Le neutron n'étant pas une particule ionisante, on ne peut le détecter que par l'intermédiaire d'une réaction nucléaire.

Les neutrons capturés sont ralentis par collisions dans un corps riche en hydrogène.

La superpile à neutrons de Kerguelen se compose de trois sections de six compteurs, dont le collecteur central est porté à une tension de 2800 volts.

INSTALLATION ELECTRONIQUE :

Il nous faut maintenant recueillir et compter les impulsions sortant des compteurs. C'est ce qui est fait par un ensemble électronique entièrement transistorisé.

Pour ce faire, nous avions deux problèmes à résoudre :

• Transformer les impulsions sortant des compteurs en grandeur facilement utilisable.

• Enregistrer ces grandeurs à une cadence déterminée par un procédé directement exploitable.

Les impulsions sortent du compteur à travers un ensemble électronique incorporé comprenant :

• Un intégrateur de Miller pour transformer les impulsions de courant en impulsions de tension.

• Un amplificateur

• Un discriminateur chargé d'éliminer les impulsions de tension parasites dues aux autres particules.

Les impulsions sont à nouveau amplifiées, puis mises en forme et divisées.

Les impulsions des six compteurs d'une même section sont alors mélangées puis à nouveau divisées. A la sortie d'une section, nous avons donc des impulsions calibrées représentant 1/400 des impulsions des six compteurs d'une section.

Il ne nous reste plus qu'à enregistrer ces impulsions, ce qui se fait par deux moyens différents, pour prévenir les risques de défaillance : l'un électromécanique sur un enregistreur Brillié, l'autre électronique, installé en 1967 après deux ans d'expérience au Pic du Midi.

De même, la pression est enregistrée par un baromètre analogique Richard, et affichée sous forme digitale par un second baromètre à mercure à poursuite automatique du niveau, installé cette année.

DEPOUILLEMENT ET UTILISATION DES RESULTATS

Tous les résultats sont imprimés automatiquement par une machine IBM. Après avoir effectué la correction barométrique pour éliminer au maximum les effets de l'absorption atmosphérique, un message est envoyé journellement à Paris rendant compte des variations horaires du rayonnement cosmique.

Actuellement, le développement des recherches porte sur les deux points suivants :

• L'étude des perturbations importantes du rayonnement par l'activité solaire, orage cosmique ou arrivée de particules solaires observables du sol.

• L'étude systématique des variations d'origine atmosphérique pour l'amélioration des corrections à apporter au rayonnement observé au sol.

De plus, tous les dix jours, nous confrontons nos résultats avec ceux de nos confrères étrangers du continent antarctique, ce qui nous permet de corréler les variations de flux cosmique en divers points de l'espace.

Laboratoires installés dans des constructions métalliques de type "Fillod"