→ Quelle est la nature du « rayonnement cosmique » ?
→ L’influence géomagnétique
→ A vous de mesurer !

*/ Quelle est la nature du « rayonnement cosmique » ?

Aujourd’hui, la réponse à cette question est connue. Mais si vous ne le saviez pas, comment vous y prendre ? Replaçons-nous dans le contexte historique.

C’est en s’interrogeant sur les causes de la décharge spontanée des électroscopes que plusieurs physiciens de la fin du 19ème et du début du 20ème siècle cherchent à comprendre l’origine de cette ionisation. En 1912, le physicien autrichien Viktor Hess, après avoir effectué plusieurs vols en ballon équipé de plusieurs électroscopes, observe que le taux d’ionisation augmente avec l’altitude. Il en conclut que « Les résultats de ces observations semblent pouvoir être interprétées simplement en assumant qu’une radiation de très haut pouvoir pénétrant provient d’en haut dans l’atmosphère et, bien qu’atténuée progressivement par celle-ci, produit, même dans ses zones les plus basses, une partie de l’ionisation observées dans les enceintes fermées. »

Mesures du taux d’ionisation en fonction de l’altitude effectuées par Victor Hess en 1912 (courbe à gauche) et par Werner Kolhörster en 1913/1914 (courbe à droite) à bord de ballons.

Durant les deux décennies suivantes, la multiplication des expériences à différentes altitudes au sol et dans les airs, ainsi que le développement de détecteurs pour caractériser cette radiation (électroscopes, chambres à étincelles, chambres de Wilson, compteur Geiger-Müller), confirment que ce rayonnement ionisant est d’origine extraterrestre et qu’il est très pénétrant. Cependant à la fin des années 1920, sa nature est toujours inconnue et deux grandes hypothèses sont envisagées.

> Soit il s’agit d’un rayonnement électromagnétique très énergétique constitué alors de photons gamma. Le terme de « rayons cosmiques », attribué par le physicien américain Robert Millikan en 1925 pour caractériser la radiation ionisante, est directement associé à cette hypothèse ;
> Soit il s’agit (majoritairement) de particules chargées possédant une énergie importante. Cette hypothèse est soutenue notamment par Arthur Compton à une époque où les seules « particules chargées» connues sont l’électron, le proton et la particule Alpha (noyaux d’Hélium).

Plusieurs travaux vont chercher à discriminer ces deux hypothèses mais l’élément déterminant est l’étude de l’influence du champ magnétique terrestre sur le « rayonnement cosmique ».

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*/ L’influence géomagnétique

Le champ magnétique terrestre peut être assimilé avec une bonne approximation au champ créé par un barreau aimanté, avec des lignes de champ joignant les pôles Nord et Sud magnétiques (qui ne correspondent pas exactement aux pôles géographiques terrestres) sous forme de boucles. Le champ magnétique s’étend donc au-delà de l’atmosphère et par conséquent doit influer sur le rayonnement cosmique : si le rayonnement cosmique est constitué de particules chargées, alors leur mouvement dans le champ magnétique terrestre va être soumis à une force (force de Lorentz) qui va courber leur trajectoire ; si le rayonnement cosmique est constitué de photons, ceux-ci ne seront pas sensibles au champ magnétique. Pour déterminer la nature du rayonnement cosmique, il s’agit donc de mesurer ces effets au sol, mais quels sont ces effets ?
En 1933, Georges Lemaitre et Manuel Vallarta effectuent les calculs théoriques du mouvement de particules chargées (positivement ou négativement) dans le champ magnétique terrestre. Leurs travaux indiquent qu’en fonction de la charge, de la direction et de l’énergie de la particule considérée, toutes les trajectoires jusqu’au sol ne sont pas « autorisées ». Deux grands types d’effets sont ainsi à prévoir : l’effet de latitude, et l’effet Est/Ouest.

> L’effet de latitude : en-dessous d’une certaine énergie, les particules chargées suivent une trajectoire qui s’enroule autour des lignes de champ magnétique (et donc se dirigent vers les pôles) ou bien sont rejetées en-dehors de l’atmosphère. Par conséquent, si le rayonnement cosmique est constitué de particules chargées (négativement ou positivement), on doit mesurer un déficit de rayonnement au sol au niveau de l’Equateur géomagnétique par rapport aux mesures effectuées à des latitudes plus élevées (vers le Nord ou vers le Sud).
> L’effet Est/Ouest : le sens de la force exercée sur une particule chargée par le camp magnétique dépend de la nature de la charge. Les résultats de Lemaitre et Vallarta montrent qu’à une latitude donnée, si les particules sont chargées positivement, alors on doit mesurer un excès de particules provenant de l’Ouest, alors que si elles sont chargées négativement, l’excès de particules doit provenir de l’Est. Ceci est vrai pour des latitudes situées à proximité de l’Equateur géomagnétique (entre 45° N et 45°S).

Structure du champ magnétique terrestre. On peut assimiler cette structure à un dipôle pour lequel les lignes de champ convergent aux pôles Nord et Sud. Crédits : SWARM

Des expériences cherchant à mesurer ces deux effets sont mises en place à la fin des années 1920 et au début des années 1930.

L’effet de latitude est mis en évidence tout d’abord avec des instruments embarqués sur des bateaux traversant le globe et permettant d’effectuer des mesures à différentes latitudes (notamment le hollandais Jakob Clay entre 1926 et 1933 entre Amsterdam et Java, mais aussi les français Louis Leprince-Ringuet et Pierre Auger en 1933 entre Hambourg et Rio de Janeiro), puis de manière systématique grâce à des stations de mesures au sol à différentes latitudes et altitudes (Arthur Compton met en place un réseau de 69 stations à l’échelle du globe en 1932). Ces mesures permettent de mettre en évidence une forte composante chargée du rayonnement cosmique.

Mesure du taux d’ionisation en fonction de la latitude effectuée par Jakob Clay entre Amsterdam et Java en 1928. Le taux d’ionisation augmente avec la latitude. Crédits : M. Crozon, Quand le ciel nous bombarde, 2005

En 1932/1933, plusieurs expériences cherchent à mettre en évidence l’effet Est/ouest à des latitudes censées permettre de le mesurer sans ambiguité : Thomas Johnson et Jabez Street (à Washington puis à Mexico) ; Arthur Compton et Luis Alvarez (à Mexico) ; Bruno Rossi (en Erythrée). Leurs résultats montrent un excès de rayonnement venant de l’Ouest et sont donc compatibles avec un rayonnement cosmique composé majoritairement de particules chargées positivement.

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*/ A vous de mesurer !

La dénomination attribuée par Robert Millikan est restée, même si ce terme de « rayonnement cosmique » est impropre car nous savons aujourd’hui que le rayonnement cosmique primaire n’est pas de nature électromagnétique mais qu’il est constitué de particules chargées (principalement des noyaux atomiques chargées donc positivement ainsi qu’une faible proportion d’électrons). Avec cette expérience de l’effet Est/Ouest, nous vous proposons de le « voir » vous-mêmes en caractérisant la différence entre les taux mesurés venant de l’Ouest et ceux venant de l’Est et de les comparer avec les résultats obtenus lors des expériences historiques.

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