Les gerbes cosmiques-md

Les gerbes cosmiques

Lorsque les Rayons Cosmiques atteignent l’atmosphère Terrestre après un long voyage interstellaire, voire intergalactique, ils interagissent avec les atomes d’azote et d’oxygène donnant lieu à des particules secondaires. La désintégration de ces particules et leurs interactions avec l’atmosphère crée une véritable cascade ou gerbe contenant des millions de particules secondaires. Les particules cosmiques qui atteignent l’atmosphère constituent ce qu’on appelle les « Rayons Cosmiques Primaires ». Ce rayonnement est composé principalement de protons (~85%), de noyaux d’Helium (~12 %) et d’une petite proportion (~3 %) de noyaux lourds dont la masse peut dépasser la masse du noyau de Fer. De plus, avec une quantité beaucoup plus faible, on trouve des gammas de haute énergie et des neutrinos cosmiques. Ces Rayons Cosmiques Primaires sont produits dans des phénomènes cosmiques violents comme les Supernovæ, les Sursauts Gammas ou les Galaxies à Noyau Actif, par exemple.

FIGURE 1 : Credit : Asimmetrie / INFN

Le flux de rayons cosmiques incident sur Terre s’étale sur plus de 30 ordres de grandeur. A basse énergie (~ 109 eV1), en moyenne, une particule cosmique par m2 et par seconde atteint la Terre. A ces énergies, le flux des Rayons Cosmiques Primaires est influencé par l’activité solaire car le vent solaire repousse les rayons cosmiques les moins énergétiques. Aux énergies extrêmes (~ 1020 eV) le flux est très faible, inférieur à une particule par km2 et par siècle. L’énergie de 1

1 eV correspond à l’énergie que possède 1 électron quand il est accéléré entre deux électrodes dont la différence de potentiel est de 1 volt. C’est un millième de milliardième de l’énergie d’un moustique en plein vol. 1

ces cosmiques ultra-énergétiques est dix millions de fois supérieure à celle atteinte au plus grand accélérateur de particules du monde au CERN, le LHC.

FIGURE 2 : Credit ??

Suivant la nature et l’énergie de la particule considérée, les Rayons Cosmiques Primaires vont générer dans les premières couches atmosphériques (entre 15 et 20 km d’altitude) des cascades électromagnétiques ou hadroniques. Celles-ci renferment des photons de haute énergie (des gammas), des électrons et des positrons (antiélectrons). Les électrons et positrons, freinés dans le champ électrique des atomes, génèrent à leur tour des photons énergétiques lesquels se matérialisent en une nouvelle paire électron-positron. De proche en proche, la cascade électromagnétique s’enrichit en particules et s’étale. Avant d’être absorbée dans l’atmosphère, elle peut atteindre plusieurs kilomètres de diamètre. Les cascades hadroniques proviennent de la production de pions, et dans une bien moindre mesure de kaons, générés lors de l’interaction des Rayons Cosmiques Primaires sur la matière. Ces particules, dont la vie moyenne est extrêmement courte (26 ns pour les pions chargés (+-) 12 ns pour les kaons chargés, 8.10-16 ns pour les pions neutres), se désintègrent à leur tour en muons et neutrinos. Finalement les muons dont la vie moyenne est de 2.2 s, se désintègrent en électrons ou positrons et deux neutrinos. Comme pour la cascade électromagnétique, après un développement maximum qui a lieu vers une dizaine de kilomètres de son point d’origine, et qui peut couvrir une région de l’ordre de 10 km de diamètre, la cascade hadronique est absorbée dans l’atmosphère. L’étude de ces « grandes gerbes » dans le massif de la Jungfraujoch2 permit à Pierre Auger de mettre en évidence, en 1938, l’énergie colossale de ces particules cosmiques. L’absorption des particules dans l’atmosphère fait apparaitre deux composantes de Rayons Cosmiques Secondaires, la composante « molle » et la composante « dure ». La première est formée par des électrons et des gammas 2

Alpes bernoises, 3 471 mètres 2

qui peuvent être arrêtés par quelques centimètres de blindage. La composante « dure » est constituée principalement par des muons. Ces particules, 200 fois plus lourdes que les électrons, sont ~40000 fois moins absorbées dans la matière. Ainsi, des muons atmosphériques, peuvent être observés même à plusieurs kilomètres sous terre. Au niveau de la mer, à part la composante « molle », l’immense majorité des particules créées dans l’atmosphère est formée par des muons (~30%) et des neutrinos (~70%). Les neutrinos, étant des particules neutres, presque sans masse et interagissant avec la matière seulement par interaction faible sont presque indétectables et traversent la Terre sans souffrir d’aucune perturbation. Le flux de muons de son côté est d’environ une particule par cm2 et par minute. Le corps d’une personne au niveau de la mer est ainsi traversé par environ 100 000 muons au cours d’une heure.

FIGURE 3 : Credit : CERN FIGURE 4 :

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