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100 ans de rayons cosmiques de Chamonix à la Station Spatiale Internationale

Maurice Bourquin Université de Genève

Chamonix, 23 juillet 2012

Entre Lumières et romantisme • Au 18e s, les Alpes de Savoie deviennent un terrain d’investigations pour

les sciences de la Terre, la physique de l’atmosphère, la météorologie, la chimie…En 1760 le Genevois Horace-Bénédict de Saussure, qui avait observé le Mont Blanc depuis le Brévent, offrit un prix à la première personne qui atteindrait le sommet.

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• Ce ne fut pas avant le 8 août 1786 (26 ans après) que le Dr. Michel Paccard et Jacques Balmat, deux habitants de la vallée, l’atteignirent. • De Saussure lui-même y arriva l’année suivante, conduisant la première de nombreuses expéditions scientifiques au sommet.

23 juillet 2012 MB Chamonix

Les sciences de terrain

• Entre 1863 et 1865 plus de 100 autres sommets furent

atteints, surtout par des alpinistes britanniques, mais

les montagnes des environs continuèrent à fasciner les

scientifiques.

• On s’aperçois que seules des observations continues,

sur plusieurs mois, et même sur plusieurs années,

peuvent faire progresser des domaines scientifiques

complexes, inventaire des espèces, géographie

physique, étude de l’atmosphère…

3 23 juillet 2012 MB Chamonix

Des observatoires au Mont Blanc • En 1890 Joseph Vallot (météorologiste, glaciologue, physicien, photographe,

cartographe, mais pas astronome) a reçu l’autorisation de construire un

observatoire à 4350 m, près du sommet du Mont Blanc, à la condition qu’il

puisse aussi servir de refuge aux alpinistes.

• Ainsi deux chambres séparées furent construites (1890). Deux pièces ensuite

agrandies à 6.


Des observatoires au Mont Blanc • Un deuxième observatoire fut construit ensuite au sommet même du Mont Blanc

à 4810m, le plus haut du monde, par Jules Janssen (astronome et académicien,

1824-1907) en 1893.

• Sa mission fut l’astronomie physique, un passage de l’astronomie décrivant le

mouvement des astres à l’étude des objets célestes à partir des lois de la physique

et de la chimie.


Des observatoires au Mont Blanc • Il dura une quinzaine d’année. Bénéficia d’une atmosphère

réduite (la pression au Mont Blanc est 2 fois moins grande qu’au bord de la mer) et d’une pureté augmentée. Mais fut englouti par une crevasse en 1909.

• Ce fut une fabuleuse aventure scientifiques et humaine dans laquelle de nombreux savants et guides de la Vallée de Chamonix se sont illustrés.

• L'épopée des observatoires Janssen au sommet du Mont-Blanc, et Vallot à 4350 m, est délicieusement décrite par le même Jean-Marie Malherbe qui a aussi décrit l'histoire du Laboratoire (Refuge) des Cosmiques.


La radioactivité

• Quelques années plus tard, Marie et Pierre Curie ont découvert que les éléments polonium et radium subissaient une transmutation générant de la radioactivité.

• En présence de matériaux radioactifs, les électroscopes chargés se déchargent. On en a conclut que certains éléments émettaient des particules chargées, qui a leur tour causent la décharge des électroscopes.

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Parallèlement, en 1896, Henri Becquerel a découvert la radioactivité naturelle.


Terrestre ou extraterrestre? • Vers 1900, la technique des

électroscopes a été bien améliorée

et on a conclut que la décharge

spontanée d’électroscopes était due

à des agents ionisants provenant de

l’extérieur des récipients.

• Et la question était de savoir quelle

était la nature de cette radiation et

sa provenance terrestre (matériaux

radioactifs dans la croûte terrestre)

ou extraterrestre.

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Electroscope de Wulf


Radioactivité en altitude?

• En 1909, Theodor Wulf, un scientifique et père Jésuite

eut l’idée de tester la variation de la radioactivité avec

l’altitude.

• Comme il détectait beaucoup de radiations sur le sol, il

décida de s'élever afin de capter moins de radiations,

ou du moins le pensait-il! Il fit des mesures à la Tour

Eiffel, mais conclut quand même que l’émission venait

de la terre.


Radioactivité en altitude? • Il devint évident que des mesures en ballons devenaient

nécessaires, puisque les satellites et fusées n’existaient pas…

• Encore que Rodolphe Töpffer, auteur genevois (1799-1846),premier auteur de bandes dessinées…


En ballon

• Le premier de ces vols eu lieu en décembre 1909 avec un ballon de l’aéroclub suisse appelé Gothard. Alfred Gockel, professeur à l’Université de Fribourg, monta par trois fois à 4500 m et trouva que la radioactivité ne diminuait pas avec l’altitude :

• „Es muss diese Strahlung daher zum Teil entweder aus der Atmosphäre oder von einem Gestirn ausserhalb der Erde kommen“


2012, la découverte

La situation fut éclaircie

grâce à une longue série

de vols en ballons par le

physicien autrichien

Viktor Hess, atteignant

5200 m en 1911 et 1912,

dans lesquels la radiation

augmente avec l’altitude

jusqu' à 100 %.


La découverte

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Hess a publié un résumé en

1913, dans Physikalische

Zeitschrift, où il conclut que

la radiation doit venir d’en

haut, d’origine extra

terrestre, mais pas du soleil,

car pas d’effet jour-nuit.


Le prix Nobel de physique 1936

14

.

C.D. Anderson V.F. Hess


Effet du champs magnétique terrestre

Il fallut attendre jusqu’en 1941 pour que l’on admette que la majeur partie des rayons cosmiques (appellation de Robert Millikan) sont constitués par des protons d’origine astrophysique, et non de rayons gamma, grâce à l’effet du champs magnétique terrestre.

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Geomagnetic field

Earth magnetic field bends charged

particles

in 1st approx. ∼ dipolar

B 0.26

√1+ si n 2 λ

cos6 λ(G) (at 370 Km)

λ ≡ geomag polar angle wrt magn equator

Geomagnetic Cutoff

minimal particle Rigidity (R = P cze

) to reach

a near earth point

Rc =60 GV

1 + hR E

2

cos4λ

(1 + cosα cos3λ )1/ 2 + 12

East-West assymetry

maximal in magnetic equator

0 5

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

0 30 60 90 120 150 180

Rig

idity C

ut [G

V]

a (east−west angle) [deg]

Rig Cutoff (alt = 370Km)

l = 0 deg (eq.)l = 30 deg

l = 51.6 deg

IDPASC (Sesimbra), 18 December 2010 F.Barao (27)


De nombreuses découvertes fondamentales furent effectuées avec les rayons cosmiques

1912: les rayons cosmiques 1932: le positron 1947: les pions

Découvertes:

1936: Muon (μ)

1949: Kaon (K)

1949: Lambda (Λ)

1952: Xi (Ξ)

1953: Sigma (Σ)

e

Les utiliser aussi comme projectiles pour

étudier la nature de la matière en détail,

comme l’avait fait Rutherford en 1900.

La physique des particules a commencé

avec les rayons cosmiques.


Photographie dans une “chambre de Wilson” du premier positron observé

23 juillet 2012 MB Chamonix 17

18

Motivation pour

chercher une idée

unifiante : le

modèle des

quarks.


Interaction d’un rayon cosmique

avec l’atmosphère

23 juillet 2012 MB Chamonix 19

Les rayons cosmiques à l’aiguille du Midi

L’officier Paul Chanson, polytechnicien, proposa en 1941 à Louis Leprince-Ringuet (1901-2000), professeur à Polytechnique, la construction d’un petit laboratoire à proximité du Col du Midi.


Téléphérique au col du Midi (1940-1950)

Un monte-charge à 2 bennes jusqu’à 3600 m.


Plan de situation du laboratoire des Cosmiques


Le laboratoire des cosmiques

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Chalet construit en 1943, inauguré en 1946


Le laboratoire des cosmiques


Plan du laboratoire des Cosmiques


L’instrumentation scientifique

26

Ligne électrique triphasée installée pour chambre de Wilson, 15’000 V, 600 A.


Des cosmiques aux accelérateurs

• Dès 1950, la physique des particules commença

a être dominée par les accélérateurs.

• Ont été crées des organisations, conférences et

journaux scientifiques distincts et spécifiques

(accélérateurs OU rayons cosmiques)

• Mais aujourd’hui on ne connait toujours pas

l’origine et la composition précise des rayons

cosmiques!!!


La physique des astroparticules

• Un champs de recherche interdisciplinaire

• Questions:

– Les restes de supernovae sont-ils les sources de rayons cosmiques galactiques?

– Comment détecter la matière noire?

• De grands projets sont en cours ou en préparation.


Recherche directe de la matière noire

.

CJPL

CDEX (Ge)


Rayons gamma de très hautes énergies:

Cherenkov Telescope Array


MB Chamonix 31

31

South Pole Dôme

Summer camp

AMANDA

1500 m

2000 m

[not to scale]

Amundsen-Scott South Pole station

en profondeur: • car la glace est transparente • pour réduire le bruit de fond de muons atmosphériques

23 juillet 2012

Rayons cosmiques sur la Station

Spatiale Internationale: AMS


Références:

• Per Carlson and A. De Angelis, Eur. Phys. J.H

• Report on the Emergence of Astroparticle Physics

par Bernard Revaz and Maurice Bourquin

• L’épopée des cosmiciens à l’Aiguille du Midi par Jean-Marie Malherbe, Observatoire de Paris-Section de Meudon

• Noces de diamant avec l’atome, Louis Leprince-Ringuet, Flammarion, 1991.

• Photographies des archives du Professeur Leprince-Ringuet et

Observatoire de Paris


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