Objectifs de l’expérience

L’objectif de cette expérience est de caractériser la nature du rayonnement cosmique en étudiant son interaction avec la matière. Plus précisément, il s’agit d’identifier l’existence de cascade de particules produites lors de cette interaction.

Lorsqu’une particule chargée possède suffisamment d’énergie, son interaction avec la matière va produire la création de nouvelles particules dans lesquelles l’énergie initiale est répartie. Si elles ont suffisamment d’énergie, ces particules secondaires vont à leur tour produire de nouvelles particules en interagissant elles aussi avec la matière selon le même processus. Une cascade de particules se développe donc jusqu’à ce que l’énergie de chaque particule ne soit plus suffisante pour engendrer de nouvelles particules. Ce phénomène de gerbes de particules est observable (par exemple sur la photo ci-dessous) lors de l’interaction d’un rayon cosmique secondaire avec une superposition de plaques de Plomb.

Chambre à brouillard vue par la tranche : on y distingue le développement d’une gerbe de particules initiée par le rayonnement cosmique, et se développant au cours de la traversée successive de plaques de Plomb.

Pour identifier l’existence d’une gerbe de particules, on peut donc imaginer « sonder » le flux de particules produites à chaque étage dans une section donnée, par exemple dans l’axe de propagation de la cascade. Un tel sondage verrait d’abord une augmentation du flux de particules, puis une lente diminution.

Dispositif expérimental

Le dispositif choisi est une reproduction de l’expérience historique réalisée par Bruno Rossi dans les année 1930. Il s’agit d’une véritable expérience de physique des particules : on observe le produit du bombardement d’une cible par une source inconnue dont on cherche à déterminer la nature.

Schéma de principe de la configuration de l’expérience à la Rossi. Les détecteurs sont disposés de manière particulière sous une épaisseur variable de Plomb.

– La source est « naturelle » puisqu’il s’agit d’une particule du rayonnement cosmique secondaire (produit de l’interaction du rayonnement cosmique primaire avec l’atmosphère) ;
– La cible est constituée de couches de Plomb dont l’épaisseur varie au cours du temps ;
– La détection des gerbes de particules est assurée par un montage de 3 détecteurs individuels disposés en « pyramide » ; l’objectif est de détecter une triple coïncidence entre les détecteurs. Avec une telle configuration, une triple coïncidence ne peut pas être provoquée par une particule unique, mais par le passage simultanée de 2 particules. Cette simultanéité ne peut être provoquée que par un seul évènement à l’origine des 2 particules, soit un « échantillon » de la cascade de particules.

Schéma de principe de l’expérience Rossi (issu d’une de ses publications) illustrant le fait qu’une triple coincidence est nécessairement provoquée par deux particules issues du même évènement.

Le fait de faire varier la quantité de Plomb, revient à aller sonder la cascade de particules évoquées plus haut à différentes hauteurs.

Protocole et mesures sur e-PÉRON

> La cible : les couches de Plomb
Comme pour l’expérience historique de Rossi, la cible utilisée ici pour l’expérience d’e-PÉRON est le Plomb. Cet élément au numéro atomique élevé (N = 82) a l’avantage de filtrer les rayonnements parasites (radioactivité naturelle) et d’atténuer rapidement les rayonnements les plus énergétiques en favorisant la création de gerbes de particules. Il en serait de même pour l’Or (N=79).

Au cours de l’expérience, les couches de Plomb sont progressivement superposées les unes sur les autres. Tous les 3 jours environ, 1 ou 2 plaques de Plomb sont ajoutées (2 à 5 cm) ; lorsque toutes les plaques sont superposées (épaisseur de 82 cm), on réalise alors l’opération inverse consistant à enlever progressivement chacune des plaques.

Le cycle complet dure environ 4 mois (2 mois pour l’ajout et 2 mois pour le retrait).

Un des scintillateurs plastiques de forme cylindrique disposé dans les détecteurs de l’expérience Rossi.

> Détection dans un tube
Chacun des détecteurs individuels est composé d’un plastique scintillateur cylindrique et d’un photomultiplicateur placé au bout de chaque cylindre, de façon à regarder ce dernier dans le sens de la longueur.

Comme tous les autres détecteurs d’e-PÉRON, le principe de détection est basé sur la fluorescence : lorsqu’une particule chargée dépose une partie de son énergie dans le scintillateur, celui-ci la restitue par fluorescence sous forme de photons. Ces derniers sont détectés par le PM qui les convertit en électron et donc en courant électrique. Le comptage des signaux de chaque détecteur se fait alors par une carte d’acquisition QuarkNet pilotée par un Raspberry Pi.

> Triple coïncidence
Comme évoqué plus haut, l’objectif est de détecter des triples coïncidences grâce au montage des détecteurs. Ces triples coincidences sont analysées a posteriori en prenant en compte l’ensemble des détections effectuées par chaque détecteur et enregistrées par la carte d’acquisition.

Pour protéger le dispositif de rayonnements parasites, des briques de Plomb sont disposées de manière latérale et entourent les détecteurs.

Les couches de Plomb à disposer au-dessus des détecteurs sont visibles ici devant l’expérience.