HAL Id: jpa-00233223
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00233223
Submitted on 1 Jan 1934
HAL is a multi-disciplinary open access
archive for the deposit and dissemination of
sci-entific research documents, whether they are
pub-lished or not. The documents may come from
teaching and research institutions in France or
abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
destinée au dépôt et à la diffusion de documents
scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
émanant des établissements d’enseignement et de
recherche français ou étrangers, des laboratoires
publics ou privés.
Étude par la méthode des coincidences de la variation
du rayonnement cosmique suivant la latitude
L. Leprince-Ringuet, P. Auger
To cite this version:
ÉTUDE
PAR LAMÉTHODE
DES COINCIDENCES DE LAVARIATION
DURAYONNEMENT
COSMIQUE
SUIVANT LA LATITUDE
Par L. LEPRINCE-RINGUET et P. AUGER.
Sommaire. - Des mesures du nombre de particules du rayonnement cosmique arrivant par seconde
sur l’unité de surface de la terre ont été faites au niveau de la mer, entre 40° de latitude Nord et 38° de latitude Sud (Le Hâvre-Buenos Aires). Les trois appareils comportant chacun trois compteurs en coïnci-dence ont indiqué une baisse d’environ 15 pour 100 de ce nombre dans la région de l’équateur. en ce qui concerne les rayons verticaux. Des études de la répartition angulaire des directions d’arrivée sur la terre, et du pouvoir pénétrant des rayons corpusculaires cosmiques ont été également effectuées le long du trajet.
Etat de la
question. -
Deuxhypothèses
principa-les ont été émises ausujet
de la nature des rayons, ditscosmiques, qui
arrivent à la surface de la terre. Doués d’un trèsgrand pouvoir pénétrant,
cesrayonnements
ionisent les gaz, déterminent des
décharges
dans lescompteurs
deGeiger-Müller,
laissent des traces dans lesappareils
à détente. Les effets que nous observonssont,
aveccertitude,
dus directement à des électrons des deuxsignes
dontl’énergie
cinétique correspond
à des dizaines ou des centaines MVe(mégavolts électrons).
Ces électronsrapides
sont-ils arrivés directement des espaces extérieurs à laterre,
ou sont-ilsproduits
parle passage à travers
l’atmosphère
d’unrayonnement
électromagnétique
de très courtelongueur
d’onde ? On pourra trouver dans un articleprécédent
(1)
unebrève discussion de ce
problème,
il suffira ici d’ensignaler l’importance,
et d’examiner comment l’étude des variations durayonnement cosmique
en latitudepeut
donnerquelques
renseignements.
Action du
champ
terrestre. -Stôrmer1’)
etplus
récemment Lemaîtreet Vallarta(3),
Fermi et Rossi1’)
ont calculé l’action duchamp
terrestre sur des électrons degrande énergie
arrivant sur la terre etprovenant
depoints
trèséloignés.
TABLEAU I.
Cette action aura pour effet d’écarter
(les empêchant
ainsi d’atteindre le
sol)
tous les rayonsd’énergie
infé-rieure à une certainevaleur,
valeur variable suivant les latitudes(latitudes géomagnétiques plus
exacte-ment,
c’est-à-dire calculées àpartir
del’équateur
ma-gnétique
d’un aimantqui
aurait unchamp identique
à celui de la terre à unegrande
distance dusol).
Deplus
l’inclinaison maximum de ces rayons sur laverti-Fig. 1. -
Photographie de l’un des dispositifs de détection
(appareil
no 1). On voit : en haut, les trois compteurs; au milieu, l’oscillographe, le dispositif d’enregistrement des pas-sages par thyratron et relai-compteur téléphonique et, àdroite, l’amplificateur-sélecteur; en bas, la batterie de piles sèches de 4 500 volts.
cale est très différente suivant les latitudes. Fermi et Rossi ont
publié
le tableau ci-dessus(tableau
I)
pour lesénergies
et lesangles
extrêmes d’incidence des élec-trons à leur arrivée au sol.On doit donc
s’attendre,
s’ils’agit
effectivement d’électrons venant deloin,à
une diminution du nombredes
corpuscules
par élimination des moinsénergiques
lorsqu’on
avance des hautes vers les basses latitudes. Cette diminution doit êtred’après
Lemaître et Vallarta surtout sensible entre 30° et 0°. En secondlieu,
larépartition
des directions d’arrivée au sol doit être dif-férente sous les hautes ou basses latitudes.194
Etudes avec la chambre d’ionisation. - Plu
sieurs
expéditions
de mesures ont été effectuées au cours de ces dernières années pour étudier avec des chambres d’ionisation l’intensité durayonnement
cos-mique
en différentspoints
de ’la terre. Celles deMilli-kan
(5)
et de ses collaborateurs n’ont pas montré devariation
appréciable.
Celles deClay
(~),
deCompton
(’)
et collaborateurs et tout récemment de Hoerlin(g)
ont au contraire donné un résultat nettement en faveur de la théorieélectronique.
Voici,
figure
2,
les courbesFi g. 2. - Courbe donnant l’effet de diminution
aux faibles latitudes de l’ionisation observée dans une chambre.
(Compton, Clay et Berlage, Bennet et
Dunham,
Wollen, Naudé.)de ces
expérimentateurs.Les
ordonnées sont les valeursde i,
nombre d’ions formés par seconde et par centimè-tre cube d’airnormal,
une fois les rayons de radioacti-vité terrestre etatmosphérique
absorbés par des écrans convenables. Elles montrent une baisse de 9~ pour 100 environ entre 30" et 0° de latitudemagnétique
nord ousuâ
au niveau de la mer; entre 3U~ et 80° au contrairela valeur de i est constante
(9,
1°).
La variation semblebeaucoup plus
accuséelorsque
les mesures sont faites en hautealtitude,
c’est-à-direlorsque
les rayons depé-nétration moindre interviennent. La chambre d’ionisa-tion est un instrument très mobile et bien
adapté
auxvoyages. Elle
présente cependant
l’inconvénient de nedonner que des mesures
globales,
résultant de l’effetde tous les rayons
qui l’atteignent.
Méthode des coïncidences. 2013 Elle consisteà
mon-ter deux ou
plusieurs
compteurs
deGeiger-
et Müller de telle manière que lesimpulsions
ne sontenregistrées
que si elles se
produisent
simultanément dans tous lescompteurs
(").
Différentsmontages
ont étéproposés,
celui de Rossiparait
leplus symétrique
et leplus simple.
Si de telscompteurs
sontplacés
verticalement les unsau-dessus des
autres,
on observe un assezgrand
nom-bre de
coïncidences,
dues enpartie
à des effets de hasard entre lesimpulsions indépendantes
decomp-teurs,
et enpartie
à des simultanéitésréelles,
les dif-férentscompteurs
étant excités par un même rayonélectronique
cosmique.
Il estpossible
d’évaluer les nombres moyens de coïncidences fortuites endisposant
(*) BOTHE et KOLHORSTER ont déjà effectué, avec deux compteurs en coïncidence, des mesures aux latittides supérieures à 50"
[1 i J.
les
compteurs
à distance notable les uns des autres pour éliminer les simultanéités vraies. Il reste alorsavec le
dispositif
â, troiscompteurs
que nou utilisions .un très
petit
nombred’impulsions,
de l’ord e de 1 parheure,
qui
nepeuvent
intervenir notablement dans lesrésultats. Cette méthode
peut
donc dormer une mesuredu nombre de
particules
ionisantespénétrantes
attei-gnant
lesappareils
par unité detemps.
En
effectuant de telles mesures, avec le mêmemontage
en despoints
de latitudes variées onpeut
doncespérer
mettre en évi-dence une variation de ce nombre departicules.
Deplus l’interposition
de blocs deplomb
entre les comp-teurs donne uneidée,
par la
réductionqu’elle
fait subirau nombre de
coïncidences,
dupouvoir
depénétration
de cesparticules.
Trajet
effectué. - Nous avonschoisi,
commemoyen de
transport
desappareils,
lebateau,
qui
pré-sente le
grand
avantage
d’éviter toutdéplacement
desappareils
hors dulaboratoire,
une fois que lemontage
est réalisé dans une cabine. De
plus
la radioactivité desobjets
environnants
est nulle(fer,
métaux,
bois)
il suffit
de vérifier
que lechargement
ne consiste pasen minerais
qui pourraient
être actifs. En mer la radio-activité du sol est annulée. Laligne
parcouruepar le
bâti-ment doitprésenter
le maximum de variation de latitude dans letemps
leplus
court, le parcours LeHâvre-Buenos-Ayres
nous a paruremplir
lesconditions,
etc’est tsur le
paquebot
mixteKerguelen,
de lacompagnie
desChargeurs
Réunis que nous avons monté nosappareils
pour un
trajet
aller et retourFrance-Argentine.
Cetrajet
a duré deuxmois, pendant lesquels ’les
appareils
ont fonctionnéjour
et nuit sansinterruption.
Le fait de repasser par les mêmes
points
auretour,
adonné lieu
à deprécieux
contrôles.D’autrepart
Buenos-Ayres
étant sous une latitude sud voisine de la latitude nord du Havre nous avons eu une courbesymétrique.
Description
desappareils.
- Nous avonscons-truit pour le voyage trois armoires
métalliques
contej-nant chacune un
dispositif
de, détection desrayonnei-ments
corspusculaires
ultrapénétrants
par la méthodé des coïncidences entre lesimpulsions
de troiscompteurm
Geiger
Müller. Cesdispositifs
ont t été réalisés aulab01-ratoire de M. M. de
Broglie
par les mécaniciens Louvi-gny etBoulanger
que nous tenons à remercier.Le
schéma
del’amplificateur
qui,
danschaque
appareil
ne laisse passer lesimpulsions
quelors-qu’elles
sont simultanées dans les troiscompteurs,
a été conçu selon le
type
décrit par Rossi(*).
A la sortie de
l’amplificateur, l’impulsion
estreçue
d’unepart
dans unoscillographe
Dubois,
d’autrepart
dans leprimaire
d~un
transformateur dont le secondaire commande lagrille
d’unthyratron.
Le passage ducou-rant dans le
thyratron
fait fonctionner unrelais-comp-teur
téléphonique d’abonné;
et l’indication du relais-(*) Nous avons utilisé desthyratrons F.
G. Il de la Compagnie française de Radiologie, qui ont fonctionné sans interruption pendant tout le voyage avec régùlarité. La tension de 400 voltsappliquée aux compteurs était donnée par des blocs de piles
parfaite.-compteur
donne le nombre decorpuscules enregistrée.
Laprésence
del’osciJ lographe tt
pour but de tre unréglage précis
del’amplificateur
et de contrôler le fonctionnement dechaque
compteur.
-Compteurs.
Nombred’impulsions.
_Coïnci-dences fortuites. - Les
compteurs
à électrons ont la formereprésentée (fig. 3). Le tube
est enfer,
diamètreintérieur 40 mm,
épaisseur 1
mm. Le filaxial
est enacier, oxydé
par passage d’uncourant;
sondiamètre
est
0,15
mm.Le tube est
rempli d’argon
nonpurifié,
sous lapres-sion de 6 cm de mercure. L’isolant utilisé est de l’ébo-nite de très bonne
qualité;
lesjoints
sont faits à lapicéine
(*).
La tensionappliquée
auxcompteurs
est de l’ordre de 1400 volts.Ces
compteurs
présentent
unpalier
assezlarge (plus
de 50 volts en
général),
pour l’indication du nombred’impulsions
individuelles. Mais ondoit,
pourl’obser-vation des
coïncidences,
seplacer toujours
au mêmepoint
de cepalier,
car le nombre des coïncidencesréelles et fortuites observées
dépend
de la durée de cha-queimpulsion,
duréequi
ne semble pas être la mêmeaux deux extrémités du
palier (les impulsions
durentun
temps plus
long quand
la tensionappliquée
auxcompteurs
estplus
élevée).
Pendant le voyage, nous avons fait fonctionner lescompteurs
avec une tensionsupérieure
de 30 volts à la tension dedémarrage.
Chaque
compteur,
pris
individuellement,
donne unesoixantaine
d’impulsions
par minute.Essayés
avant ledépart
dans la cave de l’Institut deBiologie
physico-chimique,
située sous uneépaisseur
de 12 m deterre,
ils donnaient environ 20impulsions
par minute.-- Les coïncidences entre trois
compteurs,
placés
aussi loin que
possible
les uns des autres(40
cm dedis-tance),
sont de 1 par heure. Cette valeurcorrespond
à l’ensemble des coïncidencestriples
fortuites et de celles dues auxphénomènes
degerbes
produites
parles rayons
cosmiques.
Les trois
appareils
étaient installés dans une mêmecabine du
pon t
supérieur
dupaquebot Kerguelen.
Latempérature
de cette cabine a été maintenue aussicons-tante que
possible,
et lesappareils étaient
à unetempé-rature
légèrement supérieure
à celle de la cabine(30oC)
et bien desséchés par laprésence
de chlorure de calcium. Lagêne
causée par l’humidité considé-rable desrégions équatoriales
a été ainsi éliminée.L’absorption
desobjets
(pont supérieur,
canots desauvetage)
situés soit au-dessus descompteurs
soitver-ticalement,
soit dans unangle
solide de 60degrés
autour de la verticale nedépassait
pasl’équivalent
~leJ ,5
centimètre de fer.Disposition
descompteurs. -
Dansl’appareil
n°
~,
les troiscompteurs
étaientplacés
comme il estindiqué.
ci-contre(fig.
3).
Cettedisposition
donne unedirection d’arrivée définie sans
grande
précision
puis-que dps rayons tels
que A R
et C D sontenregistrés.
(’) 1~. BECK au laboratoire de Chimie-Physique et M.ont mis au point la plus grande partie des compteurs à électrons.
Mais on obtient un
grand
nombre de rayons en untemps
eotrrt(100
par heure euposition
verticale),
cequi
estprécieux,
à cause de l’incertitude due aux fluc-tuations de nombre en fonction dutemps.
Enplaçant
leplan
derscompteurs,
soit vertical, soit incliné sur laverticale,
onpouvait
avoir des indications nombreuses et bien encadrées.Dans lps
appareils
et 3, lescompteurs
étaientplacés
au contraire à une dis-tance notable l’un de l’autreFig. 3. - Disposition des
compteurs dans l’appa-reil n ° 1.
Fig. 4. - Schéma des
comp-teurs dans les appareils nos 2 et ~~. Les briques de
plomb sont amovibles.
(fig. 4).
Onpouvait
ainsiinterposer
uneépaisseur
de 20 cm de
plomb
entre lescompteurs
d’un mêmeappareil.
Périodiquement,
on enlevait et remettaitl’écran ;
la différence des lectures donnait la propor-tion des rayons arrêtés par 20 cm deplomb (*).
Lesappareils 2
et 3 étaientidentiques ;
la corrélation des indications fournies par l’un etl’autre,
relativement peu nombreuses(~?0
rayons parheure),
donnaitplus
depoids
à l’observation. Leplan
contenant lescompteurs
esttoujours
restévertical,
sauf naturellement pour les contrôles du nombre des coïncidences fortuites.Vieillissement des
compteurs. -
Lescompteurs
ont fonctionné d’unefaçon
régulière
et satisfaisante.Néanmoins,
le nombred’impulsions
que donnechaque
compteur
en untemps
déterminé(1
minute)
a décrud’une
façon
constante. On le constatait encomparant
les indications aux
points
de mêmelatitude,
à l’aller et au retour. Entraçant,
pourchaque
compteur,
la courbe donnant la diminution du nombred’impulsions
enfonction du
temps
séparant
les passages auxpoints
de mêmelatitude,
on obtenait le vieillissement ducomp-teur. Tous ont
présenté
cephénomène,
dans despro-portions comparables.
Nous avons
figuré
ici les courbes donnant le vieillis-sement desappareils
à coïncidences. Ilapparaît
quece vieillissement
est,
pour la durée de deux mois duvoyage, sensiblement linéaire
(fig. 5).
Lephénomène
n’est pas dû à laprésence
d’émanation dans les tubes. Résultats obtenus[12,
13].
- Dans les tableauxqui
vontsuivre,
sont résumés lesprincipaux résultats,
t*) Cela n’est pas tout à fait certain à cause des effets de transition et autres. Il est très difficile de donner lasignifica-tion exacte de cette différence. -
~
196
TABLHAU A. 2013 du
tableau-journal
de rr° 1.Fig. 5. sans aucune correction. Il y a lieu de faire
plusieurs
remarquespréliminaires :
toutd’abord,
l’état de lamer fut
toujours
satisfaisant et le mouvement du navire(roulis
ettangage)
faible. Lesangles indiqués
sont des valeurs moyennesexactes,
les mouvements du navireayant
pu seulement étaler due 2 ou 3degrés
autour deces valeurs moyennes la définition des incidences.
D’autre
part,
certaines mesures ont été faites dans des conditionsparticulièrement
favorables;
ce sont celles deBuenos-Aires,
où le «Kerguelen
» est restéune
semaine,
et où lesenregistrements
ont été effectuéssans
interruption
et sans aucun mouvement. Celles faites à Rio de Janeiro etSantos,
portent
aussi surplus
dequatre
jours
d’immobilité.Enfin,
celles du retour entrePernambouc et
Dakar,
dans la zoneéquatoriale,
ladirec-tion du navire entre ces
points
étantplus
inclinée surle
méridien,
ontpermis
unplus
grand
nombre de lec-tures pour un mêmechangement
de latitude.Nous n’avons pas eu à tenir
compte
de l’effetbaro-métrique,
les courbes du baromètreenregistreur
ayant
montré une trèsgrande
constance(1
cm de mercure de197 Tableaux des résultats. -- Le
ta-bieau A donne un
exemple
dutableau-journal
del’appareil
1. Les orienta-tionsindiquées
sont celles duplan
descompteurs.
Lorsque
ceplan
estverti-cal,
lescompteurs
sont dans laposition
représentée
figure
3. Cela nesignifie
pas que tous les rayons
enregistrés
soient
verticaux;
on détecte aussi bien AB queCD;
néanmoins,
la direction de lamajeure partie
des rayons est verticale(*).
Nous avons fait aussi des mesures, en orientant leplan
descompteurs
dans d’autres directions. L’indication : 30° Estsignifie
que leplan
descompteurs
est orienté à 30e de la verticale et vers l’Est. Les mesurescorrespondant
à diverses inclinaisons avaient pour but de nous donner la courbe derépartition
du nombre des rayons en fonction de la distancezéni-Fig. 6. - Résultats de
l’appareil n° 1 (sans correction).
Le nombre entre parenthèses est le nombre de rayons enregistrés
correspondant au point de la courbe.
thale,
et aussi de comparer le nombre des rayons arri-vant d’azimuths différents pour une même distance zénithale. Le nombre total de rayons, la durée del’expérience,
la moyenne parheure,
lalatitude,
sontinscrits,
ainsi que des remarques sur le fonctionnementdes
appareils.
’Les courbes de la
figure 5
donnent les vieillissements ~les troisappareils
en pour cent des indicationshoraires,
résultant de lacomparaison
des résultats obtenus à l’aller et au retour sous les mêmes latitudes.TABLEAU B. - 1.
Rayons
Pésiillats salis corneclium·,Le tableau B et la courbe de la
figure
6représentent
les résultats bruts, sans aucunecorrection,
del’appa-reil 1. On voit,
d’après
la courbe,qu’il
y a unedécrois-sance due au
vieillissement,
et une variation suivant la latitudesuperposée.
Le minimuméquatorial
est trèsnet,
et la baissecorrespondante
de 16 pour 100. Les courbes de lafigure
7 donnent les indications desappa-(*) Dans ce cas l’axe des compteurs était orienté Nord-Sud.
reils 2 et
3; chaque point correspond
à la moyenne des indications de l’aller et duretour,
les filtres de 20 cm deplomb
étantplacés
entre lescompteurs.
Onaperçoit
une baisseéquatoriale
du même ordre. Lestableaux C et D donnent les coefficients de filtration pour les écrans de 20 cm de
plomb,
en fonction de lala-titude ;
aucune variationsystématique
ne s’endégage.
TABLEAU C. -
Appareil n°
2.Coefficient
defiltration
par 20 cm de PloJ1zb enl’onction de
lalatitude.
Enfin,
les courbes de lafigure 8
donnent les nombres de rayons en fonction de leur direction vis-à-vis de laverticale,
dansdeux régions :
à 38° de latitude sud et sousl’équateur.
Onaperçoit
tout d’abord la baisseéquato-riale des rayons verticaux mais en
plus
unerépartition
notablement différente des rayons
obliques.
Enparti-culier. la courbe
équatoriale
est nettementdissymé-trique
en faveur des rayons venus del’ouest,
alors que la courbe sous haute latitude est à peuprès
symé-trique,
confirmant les résultats de Johnson et autres198
Mg.-L
Cette
variation,
entre ~0° de latitude nord[ou
sud etl’équateur,
est voisine de 15 pour100,
en *ce
qui
concerne les rayonsélectroniques
verticaux. Il est difficile de trouver uneinterprétation
de cerésultat
qui
ne soitpas
basée sur l’action duchamp
magnétique
terrestre,
cequi
conduit à dire que, au moins aux distances de la surface du sol de l’ordre du rayon de laterre,
lerayonnement
cos-mique
est enpartie
formé decorpuscules chargés
électriquement.
Les différences dans les courbes de
répartition
angulaire
peuvent
se résumer ainsi : Al’équateur,
il y a moins de rayons verticaux que sous ~0° de
latitude,
mais la différence sur les rayonsobliques
(45°)
est faible. Sous 40° delatitude, la
courbe estsymétrique,
l’est et l’ouest neprésentent
pas dedifférence
appréciable;
sousl’équateur,
il vientplus
de rayons de l’ouest que del’est,
surtoutentre
20° et ~0°d’angle
avec la verticale. TABLEAU D. -Appareil
1?,, 3.-Coefficient
defiltration
par 20 cm de 1-loniben
fonction
de la latitude.Au
total,
le nombre de rayonsenregistrés
surlesquels
ontporté
les mesures est de 120 000 pourl’appareil no 1,
et de50
000 pour l’ensemble des cleux autresap-pareils.
Conclusion. - L’ensemble de ces résultats
indique
que lesvariations en fonction de la
lati-tude,
de l’ionisationglobale,
sont dus à la variation du nombre d’électrons(des
deuxsignes)
qui
atteignent
la surface du sul entemps
donné.Fig. 8. -
Nombre de rayons en fonction de leur direction.
Les
expériences
de filtration montrent que lepouvoir
pénétrant
moyen des électronscosmiques
est resté sensiblement le même sous toutes leslatitudes,
en cequi
concerne les rayons à peuprès
verticaux. Mais les fluctuations des nombres obtenus ne sont pasnégli-geables ;
si l’on doit déduire des indications que la baisseéquatoriale
est moindre pour les rayonspéné-trants que pour
l’ensemble,
cette différence est en toutcas
trop
faible pour que nous ayons pu mettre enévidence directement un
pouvoir
pénétrant
moyenplus grand
àl’équatetir.
La mission était subventionnée par la Caisse des Recherches
Scientifiques.
Nous tenons à remercier laCompagnie
desChargeurs
Réunis etl’équipage
duva-peur «
Kerguelen
»qui
ontbeaucoup
facilité notretàche.
BIBLIOGRAPHIE
(1) P. AUGER, Journal de
Physique,
janvier 1934, 5, 1. (2) E. STÖRMER, Z.Astrophysik
(1930), 1, 237; (1931), 3, 31.(3) LEMAITRE et VALLARTA, Phys. Rev. (1933). 43. 87.
(4)
H. FERMI et B. Rossi, Accad. Lincei (1933), 17, 316.(5) R A. MILLIKAN, Phys. Rev. (1930), 36, 1595.
(6) J. CLAY et H. BERLAGE, Naturwiss (1933),
20,
687.(7) A, H. COMPTON, Phys. Rev (1933), 43. 387.
(8) H. H0152RLIN, Nature (1933), 132, 61
(9) F. BEHOUNEK, Terr. Magnetisme (1929). 34, 173.
(10) A. DAUVILLIER, Comptes Rendus, 26 déc. 1933, 197, p. 1741.
(11) W. BOTHE et KOLHORSTER, Berlr. Ber. (1930), 450.
(12) P. AUGER et L LEPRINCE-RINGUET, Comptes Rendus, 20 nov. 1933,
197, p. 1242.
(13) P. AUGER et L. LEPRINCE-RINGUET, Nature, 27 janvier 1934, 133, p. 138.
(14) T. H. JOHNSON, Phys. Rev (1933) 43, 854 et 1459.
(15) STEARNS et BENNET, Phys. Rev. (19 3), 43, 1038.