Upload
phungthu
View
223
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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.
2
• 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.
4 23 juillet 2012 MB Chamonix
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.
5 23 juillet 2012 MB Chamonix
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.
6 23 juillet 2012 MB Chamonix
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.
7
Parallèlement, en 1896, Henri Becquerel a découvert la radioactivité naturelle.
23 juillet 2012 MB Chamonix
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.
8
Electroscope de Wulf
23 juillet 2012 MB Chamonix
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.
9 23 juillet 2012 MB Chamonix
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…
10 23 juillet 2012 MB Chamonix
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“
11 23 juillet 2012 MB Chamonix
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 %.
12 23 juillet 2012 MB Chamonix
La découverte
13
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.
23 juillet 2012 MB Chamonix
Le prix Nobel de physique 1936
14
.
C.D. Anderson V.F. Hess
23 juillet 2012 MB Chamonix
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.
15
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)
23 juillet 2012 MB Chamonix
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.
16 23 juillet 2012 MB Chamonix
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.
23 juillet 2012 MB Chamonix
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.
20 23 juillet 2012 MB Chamonix
Téléphérique au col du Midi (1940-1950)
Un monte-charge à 2 bennes jusqu’à 3600 m.
21 23 juillet 2012 MB Chamonix
Plan de situation du laboratoire des Cosmiques
22 23 juillet 2012 MB Chamonix
Le laboratoire des cosmiques
23
Chalet construit en 1943, inauguré en 1946
23 juillet 2012 MB Chamonix
Le laboratoire des cosmiques
24 23 juillet 2012 MB Chamonix
Plan du laboratoire des Cosmiques
25 23 juillet 2012 MB Chamonix
L’instrumentation scientifique
26
Ligne électrique triphasée installée pour chambre de Wilson, 15’000 V, 600 A.
23 juillet 2012 MB Chamonix
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!!!
27 23 juillet 2012 MB Chamonix
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.
28 23 juillet 2012 MB Chamonix
Recherche directe de la matière noire
.
CJPL
CDEX (Ge)
29 23 juillet 2012 MB Chamonix
Rayons gamma de très hautes énergies:
Cherenkov Telescope Array
30 23 juillet 2012 MB Chamonix
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
32 23 juillet 2012 MB Chamonix
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
33 23 juillet 2012 MB Chamonix