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Laboratoire virtuel
 Objectifs et motivations : quels utilisateurs ? Pour quoi faire?

 

 

 

 Le principe

e-PÉRON est l’acronyme de Plateforme Éducative sur les Rayons cosmiques et les muONs. Ce nom fait référence à l’ « hypéron », particule composite découverte au Pic du Midi en 1950 en étudiant le rayonnement cosmique. e-PÉRON est un projet pédagogique intégralement dédié à la formation dans l’enseignement secondaire (lycée) et supérieur (DUT, licence, master). Il consiste à mettre à disposition des enseignants et de leurs élèves/étudiants une plateforme expérimentale sur la physique des rayons cosmiques installée à l’Observatoire du Pic du Midi (Hautes-Pyrénées) depuis une interface web (c’est le « e » de e‐PÉRON).

Vision panoramique de l’Observatoire du Pic du Midi depuis la terrasse Sud. Crédits : Cyrille Baudouin

Via ce site web, les utilisateurs ont ainsi accès aux données collectées par ces expériences (données mesurées en temps réel, archives sur des plus longues périodes temporelles) ainsi qu’à des ressources pédagogiques pour exploiter ces données dans un cadre pédagogique.

e-PÉRON est soutenu financièrement par le Labex OCEVU et est porté par des laboratoires de recherche (Centre de physique des particules de Marseille / CPPM, Institut de recherche en astrophysique et planétologie / IRAP, Observatoire Midi-Pyrénées / OMP) en partenariat avec le Syndicat mixte pour la valorisation du Pic du Midi et le dispositif ministériel Sciences à l’école. Le projet s’appuie sur l’expérience acquise par le projet Cosmos à l’école et notamment le cosmodétecteur initié par José Busto, enseignant-chercheur d’Aix-Marseille Université au CPPM.

La localisation « physique » d’e-PÉRON au Pic du Midi est motivée par plusieurs éléments :
– le flux de rayonnement cosmique augmente avec l’altitude ; il est environ 4 fois plus important au Pic du Midi (2877 m) qu’au niveau de la mer ;
– le Pic du Midi a été un des hauts lieux de l’étude du rayonnement cosmique dans les années 1930 – 1950 ; e‐PÉRON a aussi pour objectif de reproduire ces expériences historiques avec les techniques contemporaines dans une perspective didactique et pédagogique ;
– l’Observatoire du Pic du Midi accueille de nombreux instruments collectant des données et des mesures en sciences de la planète et de l’Univers (aérologie, météo, neutrons, activité solaire) ; ce seront autant de données qui viendront enrichir la pédagogie sur la physique du rayonnement cosmiques ;
– Dans le cadre du Labex OCEVU, l’Observatoire du Pic du Midi par les liens qu’il entretient avec l’IRAP et l’OMP constitue un partenaire évident pour accueillir e‐PÉRON.

 

Plaque commémorative du monument dédié à la découverte de l’hypéron (à gauche) installé à Bagnères de Bigorre.

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Laboratoire virtuel

La plateforme expérimentale d’e-PÉRON consiste en un réseau de détecteurs de rayons cosmiques installés à l’Observatoire du Pic du Midi. La disposition et la forme de ces détecteurs sont adaptées à chacune des expériences, mais ils sont tous conçus selon le même principe : un scintillateur (plastique ou liquide) est couplé à un photomultiplicateur pour détecter le passage de particules chargées (muons, électrons) issues des gerbes de particules atmosphériques provoquées elle-mêmes par la collision du rayonnement cosmique (noyaux d’hydrogène, d’hélium ou d’éléments lourds, électrons) avec les noyaux atomiques des constituants atmosphériques (azote et oxygène).

Plaque de scintillateur plastique utilisée dans les détecteurs d’e-PÉRON.

 

Photomultiplicateur permettant de détecter le passage de particules chargées dans le scintillateur.
Ensemble de détecteurs d’e-PÉRON une fois assemblés.

Le panel d’expériences disponibles couvre quelques-unes des expériences historiques qui ont permis de caractériser la nature du rayonnement cosmique : influence du champ géomagnétique sur le rayonnement cosmique (effets Est-Ouest), mise en évidence des gerbes cosmiques (expérience Rossi), mesure de la durée de vie moyenne du muon, distribution latérale des gerbes (expérience Auger), mesure de l’énergie des gerbes, distribution angulaire du rayonnement cosmique (télescope à muons).
De plus, la plateforme expérimentale intègre les données observationnelles acquises par d’autres instruments et programmes observationnels localisés au Pic, et qui peuvent avoir une influence sur le flux de rayonnement cosmique : les données météorologiques et aérologiques disponibles sur la base de données PAES (température, pression, hygrométrie, couverture nuageuse), l’activité solaire avec le coronographe CLIMSO (nombre de taches solaires), le flux de neutrons avec détecteurs de l’ONERA, la mesure du taux de radon avec un instrument dédié.

Station d’aérologie alientant la base de données PAES.

 

Cliché du Soleil collecté avec l’instrument CLIMSO.

L’intégralité des données recueillies par les expériences dédiées d’une part, et par les autres instruments d’autre part, sont stockées dans une base de données. Par l’intermédiaire du site internet, les utilisateurs ont ainsi accès à l’expérience de leur choix, et peuvent sélectionner l’intervalle de temps qui les intéressent. De plus, un accès par niveau d’utilisateur est proposé : un niveau de traitement avancé et une visualisation des données (enseignement secondaire), l’accès aux données brutes non traitées (enseignement universitaire) et enfin un niveau intermédiaire avec une analyse guidée.
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Objectifs et motivations : quels utilisateurs ? Pour quoi faire?

L’étude du rayonnement cosmique implique de nombreuses problématiques et thématiques scientifiques : le milieu interstellaire, les objets astrophysiques, les constituants de la matière, le champ magnétique terrestre, l’atmosphère, la démarche scientifique, l’instrumentation, l’étude statistique de données. De plus, le rayonnement cosmique possède la particularité d’être disponible partout (ou presque) à la surface de la Terre puisqu’il nous bombarde en permanence et son origine constitue toujours une problématique scientifique d’actualité. Pour toutes ces raisons (et bien d’autres), son étude dans un contexte pédagogique est susceptible de susciter un vif intérêt de la part de nombreux enseignants.

Cependant, la conception et la conduite d’expériences sur le rayonnement cosmique directement en classe peut faire face à de nombreux obstacles : l’achat et l’installation du matériel nécessaire à l’expérimentation, la compétence nécessaire à l’analyse des données, les longues périodes d’acquisition nécessaires à l’obtention de résultats significatifs. Or l’investissement (en temps, en compétences, financier) nécessaire à la bonne conduite du projet en regard du temps à y consacrer réellement en classe, n’est pas nécessairement considérée comme rentable par un grand nombre d’enseignants. L’objectif de la plateforme expérimentale d’e-PÉRON est de lever une partie de ces obstacles en permettant au plus grand nombre d’accéder à des données réelles sans instrumentation spécifique (autre que des ordinateurs et une connexion internet) et de venir en complément d’instruments déjà existants (comme le cosmodétecteur du programme Cosmos à l’école) pour les utilisateurs les plus expérimentés.
Ce type de projets éducatifs sur la physique du rayonnement cosmique s’inscrit dans un réseau en cours de construction à l’échelle internationale, dont une des manifestations est le International Cosmic day.

Activité déxpérimentation sur les rayons cos;iques par des élèves de 1ères lors d’une école d’été OCEVU organisée à l’Observatoire de Haute-Provence.

Deux niveaux principaux d’utilisateurs sont identifiés :

* Enseignement secondaire (lycée) : l’objectif est de permettre aux élèves de pratiquer l’investigation scientifique dans un environnement de recherche de qualité accessible en ligne (matériel et données réelles), et de fournir aux enseignants un contexte stimulant pour aborder certaines notions de leur programme. La physique des rayons cosmiques permet d’aborder de nombreuses thématiques de physique (relativité restreinte, radioactivité, physique subatomique), mais aussi de mathématiques (analyse statistique), de sciences de la Terre (physique de l’atmosphère, géomagnétisme, formation du C14) ou de technologie (physique des détecteurs, programmation). L’exploitation d’e-PERON peut donc être motivée par le traitement d’une thématique précise ou bien être intégrée dans un projet interdisciplinaire.

* Pour l’enseignement supérieur, l’objectif est de confronter directement les étudiants au traitement et à l’analyse de données de qualité «recherche » depuis l’apprentissage de la physique (Licences) jusqu’aux formations s’appuyant sur les recherches menées sur les rayons cosmiques au sein du Labex OCEVU (masters), en passant par des formations plus spécialisées en instrumentation physique, en électronique ou en informatique (DUT).

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