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Chaque seconde, sans que nous nous en apercevions, des centaines de rayons cosmiques traversent notre corps. Que sont ces rayons venus du cosmos ? Comment les a-t-on découverts ? Comment les détecte-t-on ? Cette histoire commence par une erreur d’interprétation, et quelques voyages en ballon, pour finir par des technologies de pointe, permettant aujourd’hui de radiographier pyramides et volcans.
Nous sommes au début du XXe siècle. La radioactivité vient d’être découverte par Henri Becquerel, Pierre et Marie Curie, et les savants se passionnent pour l’infiniment petit. Ils découvrent que l’atmosphère est continuellement ionisée, c’est-à-dire que des électrons sont régulièrement arrachés aux atomes qui la composent. L’explication la plus plausible est que cette ionisation est le résultat de la radioactivité naturelle. En effet, les éléments radioactifs émettent des particules (électrons, rayon alpha et gamma) qui peuvent entrer en collision avec les électrons des atomes de l’atmosphère, et ils ont une énergie suffisante pour « décrocher » ces derniers. Cela dit, cet effet semble trop important par rapport à la radioactivité naturelle.
L’ionisation de l’atmosphère est observable à l’aide d’un électromètre. Cet appareil, conçu à la fin du XVIIIe siècle, permet de mesurer la charge électrique d’un corps. Le dispositif est composé de deux feuilles de métal suspendues à une électrode dans une chambre à vide. Si l’on met en contact l’électrode avec un objet chargé électriquement, les feuilles se chargent à leur tour, et se repoussent donc, avec un angle d’autant plus grand que la charge de l’objet est importante.
Si l’on déconnecte l’électrode et qu’elle se retrouve isolée, les charges sont piégées, et les deux feuilles doivent rester écartées… Pourtant, petit à petit, elles se rapprochent, prouvant ainsi que la charge diminue. Une explication plausible de ce phénomène est que la radioactivité naturelle agit sur les plaques pour les décharger, de la même façon qu’elle est supposée ioniser l’atmosphère.
Comment le démontrer ? La meilleure façon serait de s’affranchir de la radioactivité naturelle pour voir si l’électromètre reste chargé. Et pour cela, il faut s’éloigner du sol. Ce n’est pas ce qui effraie Victor Hess, un physicien allemand. Il ne va pas hésiter à risquer sa vie pour emmener des électroscopes dans des ballons. Il va mener ainsi plusieurs missions en 1912 et 1913, de jour comme de nuit, montant jusqu’à 5300 m d’altitude. Il constate que la décharge des électromètres augmente avec l’altitude au lieu de diminuer ! De plus, les vols de jour et de nuit donnent les mêmes résultats, ce qui prouve que le soleil n’est pas responsable du phénomène. Il en conclut que la décharge de l’électromètre, comme l’ionisation de l’atmosphère, sont dus à un rayonnement provenant de source cosmique, et non de la radioactivité terrestre. Cette découverte fondamentale lui vaudra le prix Nobel en 1936. Et ouvre la voie à l’étude des rayons cosmiques.
Ces rayons se révéleront très utiles. Ils sont en effet une source gratuite de particules, à toute heure du jour et de la nuit : un avantage précieux pour les physiciens des particules ! Grâce à eux, Carl Anderson va découvrir une particule de charge positive, et ayant la même masse que l’électron : le positron (ou antiélectron), prédit par Paul Dirac quelques années auparavant. Pour cette découverte, il partagera le prix Nobel de 1936 avec Hess.
Gerbe cosmique
En poursuivant ses études, Anderson va découvrir une nouvelle particule, semblable à l’électron, mais 200 fois plus lourde : le muon. Nous savons maintenant qu’il s’agit de la composante majeure du rayonnement cosmique au niveau du sol. L’origine de ces rayons est l’interaction d’une particule (généralement un proton) venue de l’univers avec les hautes couches de l’atmosphère. Il s’opère alors une matérialisation de l’énergie de cette particule, donnant naissance à d’autres particules, moins énergétiques, qui vont, soit se désintégrer, soit interagir à leur tour. Dans les deux cas, elles donnent naissance à de nouvelles particules, et ainsi de suite. Cela crée une gerbe de particules que l’on appelle gerbe cosmique. Dans ces gerbes, les muons sont les seules particules à avoir une durée de vie suffisante pour arriver au sol. Il en arrive en moyenne 1 par 10 cm2 et par seconde.
Il existe de nombreux types de détecteur de muons. Pour l’édition 2018 du festival Particule.com, l’Institut de physique nucléaire de Lyon (IPNL) a décidé de présenter une chambre à étincelles permettant de mettre en évidence leur passage. C’est une technologie des années 1960, qui présente l’avantage d’être très visuelle et donc parfaitement appropriée aux démonstrations grand public.
Ces détecteurs de particules ont donc été utilisés dans les années 1960-1970. Ils ont été progressivement remplacés par les chambres à fils de Georges Charpak, car ils ne pouvaient compter que quelques particules par seconde. Ils ont cependant permis plusieurs découvertes, les plus notables étant celles du neutrino du muon (1962) et du lepton tau (1975), qui ont donné lieu à l’attribution à deux prix Nobel de physique. Des chambres à étincelles ont également été employées en astrophysique, pour l’étude des sources de rayons gamma, notamment sur le premier satellite artificiel destiné à l’étude de ces rayonnements très énergétiques issus de pulsars (1972).
Voir la trajectoire des particules
Le principe de fonctionnement des chambres à étincelles est relativement simple. La chambre est remplie d’un mélange de gaz nobles (néon et hélium en général). Une série de plaques métalliques parallèles, séparées de 1 cm, est placée dans l’enceinte. Ces plaques sont branchées alternativement sur une haute tension (8000 volts) ou à la masse. Les muons cosmiques traversent la chambre et ionisent le gaz durant quelques microsecondes, c’est-à-dire qu’ils vont arracher sur leur passage des électrons des atomes du gaz. À ces endroits là, le gaz ionisé devient conducteur. Le courant passe donc entre les plaques formant de petites étincelles (c’est le même phénomène qui produit les éclairs lors des orages). On peut ainsi voir à l’œil nu la trajectoire des particules !
Pour que le détecteur fonctionne, il faut un système de déclenchement, car on ne peut pas laisser les plaques continuellement à 8000V. Il est constitué de deux plaques de scintillateurs, placées au-dessus et en dessous de la chambre. Ce sont des détecteurs qui émettent une très faible quantité de lumière au passage d’une particule. Cette lumière n’est pas visible, mais elle est transformée en impulsion électrique par deux photomultiplicateurs. Quand une particule passe à travers les deux plaques, c’est qu’elle a aussi traversé la chambre, et les deux photomultiplicateurs envoient un signal en coïncidence, qui va déclencher la haute tension.
Les rayons cosmiques sont toujours étudiés de nos jours, pour comprendre la provenance des protons les plus énergétiques qui les produisent. Ils sont aussi utilisés comme source de particules gratuites, pour tester, aligner, calibrer et mettre en service des détecteurs. Leur utilisation dépasse même la physique des particules avec les techniques de muongraphie.
En effet, les muons sont plus ou moins absorbés par la matière en fonction sa densité. Si on instrumente un volcan ou une pyramide avec des détecteurs capables de compter les muons provenant d’une direction choisie, on aura la possibilité de « voir » à l’intérieur de la même façon qu’un médecin voit l’intérieur de notre corps grâce à la radiographie par rayons X. Cela permet d’obtenir des informations sur la densité des roches observées, et d’observer d’éventuelles cavités.