Discussion de nouvelles expériences sur les grandes gerbes de l'air (gerbes d'Auger)

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Discussion de nouvelles expériences sur les grandes

gerbes de l’air (gerbes d’Auger)

J. Daudin, A. Loverdo

To cite this version:

le même

_aspect

et le même écart

relatif,

dont le

réglage

se continue sans difficulté. Les

_franges

indi-viduelles n’interviennent pas : interviennent seuls les deux

_systèmes

droit et

_gauche

dont il faut

seulement annuler la translation relative. Le

_réglage

approché

se conserve d’ailleurs et

_peut

à un moment

quelconque

être

_poursuivi

et amélioré.

Les

_systèmes

de

_franges

horizontales sont

toujours

pratiquement

séparés

par une bande obscure verticale dont il y a

_avantage

à réduire et même à

_supprimer

la

_largeur.

C’est facile au _{moyen d’une} lame

_épaisse

à faces

_parallèles

L couvrant l’une ou l’autre demi-section du

tube,

susceptible

de tourner autour d’une

parallèle

au diamètre vertical

_qui

_sépare

les deux demi-sections. En Dlan0153uvrant le bouton C, on

amène les deux

_systèmes

_{à comparer exactement} au

contact.

Reste à comparer la translation réalisée à une

échelle

_{millimétrique.}

Ce

_{qui se}

fait en

_portant

la

dite échelle à la

_place

des

_franges

et en

_lisant,

en

millimètres,

le

_décalage

des deux mootiés de l’échelle dédoublée.

,

Manuscrit reçu le 2 octobre _1947.

DISCUSSION DE NOUVELLES

EXPÉRIENCES

SUR LES GRANDES GERBES DE L’AIR

(GERBES

D’AUGER)

Par J. DAUDIN et A. LOVERDO.

Laboratoire de

_Physique

de l’École Normale

_Supérieure.

Sommaire. - Confrontation et discussion de résultats

expérimentaux obtenus au _moyen de

compteurs en coïncidence par divers auteurs, à différentes altitudes (2170 m et niveau de la mer).

Les

rapports $$Q/T et T/D entre

les nombres de coïncidences doubles D, triples T et _{quadruples Q permet} d’étudier la densité des grandes gerbes d’Auger. Les différents résultats sont en bon accord en ce _qui concerne la variation de la _fréquence des gerbes en fonction de leur _densité, à un même niveau.

1. Introduction. - Durant

la guerre, de

₁₉₄₂

à des travaux ont été

_poursuivis

en France et

en Italie sur les

_{gerbes d’Auger.}

Les

_résultats,

_qui

ont été obtenus

_{indépendamment}

par

Cocconi,

Loverdo et

_{Tongiorgi [i]}

méritent d’être confrontés

avec les résultats

_{déjà publiés}

en France

_{[2] (1).}

D’autres

_{expériences,}

en outre, doivent être rappro-chées des nôtres.

2. La densité des

_grandes

_gerbes

de l’air.

-Lorsque

deux

_compteurs

_éloignés

entrent en

coïnci-dence,

ils annoncent le

passage

d’une

_gerbe

compre-nant

au moins

deux _rayons

distincts,

mais sont muets

sur le nombre et la

_disposition

des autres

_particules.

Auger

et ses élèves ont

_supposé

les

_trajectoires

réparties

au hasard et ont

admis,

pour toutes les

gerbes,

une densité moyenne déterminée. Dans ces

conditions,

si à est le nombre de

_trajectoires

au

mètre carré et si ,S est la surface d’un

_compteur,

la

_probabilité

_que le

_compteur

soit touché est,

(1) Nous regrettons que les circonstances de guerre et

l’isolement en sanatorium nous aient _empêché de _connaître,

avant cette année, les divers travaux étrangers qui sont

discutés ici. - DAUDIN.

d’après

Poisson,

Ce sera, par

exemple,

la

fréquence

avec

_laquelle

un troisième

_compteur

sera touché

_lorsque

les deux

premiers

le sont : c’est-à-dire le

_rapport

des coïnci-dences

_triples

aux

doubles T ou

encore des

qua-druples

aux

triples " ) ’

·

T

Comme les densités ainsi obtenues varient énor-mément avec le

_nombre

et la surface des

_compteurs

en

coïncidence,

on en conclut _que

_l’analyse

précé-dente est insuffisante. On

_peut

penser, avec l’un de

nous en

_ig4i,

ou avec

_{Clay [3],}

_que la formule de

Poisson n’est pas valable. Ou

bien,

comme

l’expé-rience l’a montré, que les

gerbes

ont des densités très variables.

Après

avoir examiné sommairement les consé-quences de cette

répartition

des

_gerbes

sur un très

grand

domaine

d’énergies

et de

densités,

Daudin

concluait en

₁₉₄₂

_{[4] :}

Un

_système

de

_compteurs

en coïncidences doubles ou

_triples

constitue un

monochromateur

_{qui n’enregistre}

que les

gerbes

comprises

dans un intervalle étroit

_{d’énergie.}

Si l’on

utilisait des

_compteurs

dix fois

_plus

_grands,

on

devrait trouver une densité _moyenne au mètre carre dix fois

_{plus petite.}

»

_{L’expérience}

ainsi

_suggéré

n’a été

_{qu’amorcée}

en France

[5],

mais

a menée à bien en Italie par

Cocconi,

Loverdo et

Tongiorgi

en et Le 1’ableau 1 résume les

_principaux

résultats obtenus

_{à 2170}

m d’altitude avec des

compteurs

dont la surface a varié d’un facteur 100.

Les coïncidences

_triples

et

_quadruples

ont été

enre-gistrées

simultanément.

On voit _que la densité 3 varie bien en raison inverse de la surface des

_compteurs,

de sorte _que la, densité _moyenne déduite de la formule

₍₁₎

est celle d’un groupe de

_gerbes

_{choisies par les}

_compteurs.

C’est une

_grandeur

_qui

_dépend

avant tout (les

instruments d’observation.

3. La distribution des

_{grandes gerbes}

de l’air en densité. - Ainsi s’introduit

une nouvelle

inconnue : suivant

_quelle

loi les

_gerbes

_qui

touchent

une surface déterminée se distribuent-elles en

den-sité ?

_Quelle

est la

_fréquence

des

_gerbes

de densité moyenne

comprise

entre A et + dl ? Il faut donc

pouvoir

coanaître le nombre de

_trajectoires

dans

une

_gerbe

déterminée.

Si les

_compteurs

sont

_incapables

de nous donner

à ce

_{sujet plus}

_que de

_{simples probabilités,}

on

_peut

penser à deux autres instruments : la chambre de

Wilson,

qui

compte

directement les

_{trajectoires,}

la chambre d’ionisation

_qui

_permet

d’atteindre le

nombre de

particules

par l’intermédiaire de l’ioni-sation

_globale

_qu’elles

ont suscité. Mais les chocs

d’Hoffmann

dus à des

_{particules rapides}

et

non-breuses ne

_peuvent

être

_distingués

_{par la chambre} d’ionisation des chocs dus à un

_petit

nombre de

particules

lourdes et lentes _que

_projettent

les

explo-sions nucléaires.

Récemment,

Skobeltzyn

et Lazaréva

_[6]

ont levé la difficulté : ils ont

_employé

_{deux trains de} comp-teurs

_{proportionnels}

en

coïncidence;

ils ont éliminé ainsi les

_{désintégrations}

_{nucléaires presque} certai-nement localisées à un

_appareil.

Alors que les chocs

d’amplitude supérieure

à S varient en

_fréquence

comme S-1’ pour un seul

_compteur,

ils

varient,

comme

S-l’,

pour deux

compteurs.

L’exposant p’

serait très inférieur à p

(p’

_ 1,3 à 3250 m _au lieu

de _p =

2,3). L’exposant p’

devient ainsi d’un ordre

de

_grandeur

tout à fait

_comparable

à celui observé par nous-mêmes.

Pourtant,

la contradiction

signalée

par

Auger

et Daudin en conclusion de leur article n’est _pas encore bien éclaircie en ce

_qui

concerne la chambre d’ionisation

_proprement

dite.

Lewis arrive à des résultats

_numériques

assez

différents _par une méthode

_{analogue à}

celle de Lazaréva avec deux chambres d’ionisation. Il semble

même,

d’après Kingshill

et Lewis _{que les} résultats

obtenus avec la chambre d’ionisation

_dépendent

’

énormément de

_{l’épaisseur}

de la

_paroi.

_Lapp,

dan,,

un travail antérieur avait trouve, ponr les chocs d’Hoffluann associés à des

_gerbes

une loi

(le

_{fréquencl’}

du

_typt’

_171.

La chambre de Wilsoii reste l’instrunient le

_plus

complet

et il serait désirable de

_disposér

de telles chambres de très

_grande

dimension. En

attendant,

Fig. 1. - Variation des coïncidences _en fonction de la surface

des _compteurs en coordonnées doubles _{logarithmiques,}

d’après Cocconi, Loverdo et _{Tongiorgi (N} en _min-x,

S en _ml).

y Coïncidences triples à 2 170 M (la droite en pointillé

représente la variation vraie pour les cinq dernières

sur-faces réalisées avec des compteurs de 129 cm2 au nombre de ~, 2, 4, 6 et 8 par groupe); Q I, coïncidences _quadruples à 2 I70 m; T II, coïncidences _triples à Milan; Q II, coïnci-dences _quadruples à 11’Iilan.

une chambre de Wilson de

_petite

surface

_peut

éga-lem,ent

_permettre

d’atteindre le nombre moyen de

trajectoires

pourvu que les fluctuations soient

nor-males. Mais la chambre de Wilson doit être déclenchée

de l’extérieur. Si des

_compteurs

la

déclenchent,

ils

sélectionnent les

_gerbes

et faussent les

_{statistiques.}

..%uger

et Daudin

_exposent,

dans leur

travail,

dans

.

quelles

conditions cette sélection est

négligeable

et comment on

_peut

en

_général

en tenir

_compte

: pour

interpréter

l’ensemble des résultats

expéri-mentaux.

a Chambre de Wilson et chambre

d’ionisation.

a

_exception

faite des

_expériences

de

Lewis,

paraissent

t s’accorder en faveur d’une loi de

_fréquence,

_{telle que}

et ù +.

dA,

soient au nombre de

D’après

les théorèmes des

_{probabilités}

totales et

composées,

le nombre des coïncidences entre n

comp-teurs semblables devient

Cette

formule,

à la différence de

₍₁₎

contient

deux

_paramètres

arbitraires et v.

Il faut donc deux

_expériences

_pour

déterminer

ces constantes au _moyen

_desquelles

on

doit,

dans certaines

limites,

retrouver les résultats

expéri-mentaux à attendre avec une

_disposition

quelconque.

L’expérience

des surfaces variables

_poursuivie

en

Italie a

_permis

la vérification de la loi

₍₂₎

sous une

forme

_{frappante qui}

met en évidence

immédiat

l’exposant

y.

D’après (3),

si l’on

multiplie

la surface des

_compteurs

_par

_1B,

le nombre des coïncidences est

_multiplié

_par La

figure

i _{montre que} cette

conséquence

est vérifiée : les courbes

_{donnant Q}

et T en fonction de S en coordonnées doubles

loga-rithmiques

se confondent avec des droites de

pente

y -

~,!~~.

A la même

altitude,

Auger

et Daudin ont

inter-prété

diverses

_statistiques

de

_compteurs

et de

chambre de Wilson avec _y =

1,5.

TABLEAU 1. Variation de la densité

’

avec la

_surface

des

_{compteurs à}

2170 na.

4. Discussion des résultats

_{expérimentaux}

obtenus en Italie. - _a.

Expériences i-1

217o ni

(7,9;)

in - On

peut, semble-t-il,

tirer une

autre indication de

_{l’expérience}

italienne.

_D’après

le Tableau I, le

_rapport

2013

varie lentement

_lorsque

la surface des

_compteurs

_augmente.

_{Pour y}

=

1,5,

Q

_T doit être

_égal

à

o,64 :

c’est bien la valeur moyenne observée. Mais on voit

_que

_{pour des} densités variant de 1000 à 10 _{par mètre carré, y} varie lentement

de

1,5~

environ à 1,35,

d’après

la

_figure

2.

Fig. 2. - Variation de l’indice

y avec le

rapport -;’

Bien _{que des} raisons fortuites

_puissent

avoir

contribué

à faire

varier § ,

il est

_probable

_que

l’expo-sant varie

réellement.

A l’autre extrémité du

domaine

des densités la chambre de Wilson donne des

_pentes

de l’ordre de 1,6.

L’indice y

paraît

décroître densité due

façon

que

l’intégrale

du nombre total de

_gerbes

v

reste

_finie.

Cocconi,

Loverdo et

_Tongiorgi

ont bien montré

qu’une

voûte, même

_légère,

fausse

_légèrement

la

pente

de la droite. Les

_gerbes

secondaires

accroissent,

en

effet,

proportionnellement

le rendement des

petits

compteurs

plus

que celui des

grandes

surfaces de

_compteurs.

’"

Donc l’indice y

qu’ils

ont observé doit être

corrigé

d’une

_grandeur

un peu incertaine

qui

le

_porterait

aux environs de I,~~.

Mais il est une autre cause d’erreur

_{qui explique}

direc-tions de _{rayons; de}

_plus,

la corrélation locale des

trajectoires

n’est pas

négligeable.

Des

_expériences

tendant à

_préciser

ce

_point

sont

actuellement conduites par les auteurs à l’Obser-vatoire du Pic du Midi.

Enfin,

les chocs sont divisés _{par deux et} les

pertes

éventuelles du sélecteur

_risquent

d’être

_plus

grandes

[8].

Ceci

_explique

_peut-être

que les groupes

de

_{quatre compteurs de 2~}

cm2 constituant des surfaces jde 108

_comptent

anormalement _peu

(les

coïncidences s’écartent de la

_{fréquence prévisible}

de

_plus

de trois fois l’erreur

_probable).

De même les

_grandes

surfaces ont été réalisées par association de deux à huit

compteurs

disposés

côte à côte : or la

_pente

moyenne

indiquée

par les

cinq

derniers

_points

donne un y de 1,~6,

infé-rieur au _{y moyen pour les} mêmes surfaces déduit des valeurs

de -9

_(y

=

1,4).

71

( ,

+?

b.

_Expériences

au niveau de la mer. - Le Tableau II

donne le résultat

_{d’expériences analogues}

_{faites par} les mêmes chercheurs au niveau de

la~

mer.

TABLEAU I.

Variation de la densité

avec la

_surface

des _compteurs au niveau de la

On voit que le

rapport $

est sensiblement

_plus

faible

_qu’à

₂₁₇₀ m. En choisissant comme

moyenne 0,60, on trouverait un _y un _peu

_supérieur

à 1,6 en bon accord avec

l’équipe

française.

Mais la

_pente

du

_{diagramme donnant Q}

et T

en fonction de S en coordonnées doubles

loga-rithmiques

n’est _que de

_i,45.

Il

_n’y

a donc

plus

ici

accord entre le _y déduit

de Q

et la

_pente

du

dia-T

gramme.

Comme le

rapport -9

montre des fluctuations assez

71

considérables on

_peut,

nous

_semble-t-il,

réserver le

jugement

et eslimer nécessaire une nouvelie

expé-rience,

qui

tiendra un

_{compte particulier}

des ciifi-cultés inhérentes à tout

_groupement

de

_compteurs

en

_parallèle.

Cette faible valeur de _y,

_comparée

à la valeur

_corrigée

_(un

_peu

_incertaine)

obtenue en

alti-tude,

permit

à

Cocconi,

Loverdo et

_Tongiorgi

de

conclure que y croît

quand

on s’élève comme le

prévoit

la théorie des cascades. C’est le contraire des observations

_françaises;

il’ faut noter _que les résultats obtenus en Italie considérés du

_point

de

vue du

rapports

_indiquent

une variation de _y en sens

_opposé

et s’accordent en revanche avec

l’expé-rience

française.

Comme il a été

_remarqué

en

_{1 9’1?}

_{par l’un}

_de

nous

_[9]

_]

toute décroissance du

rapport -9

_pp

_lorsqu’on

71 q

s’élève en altitude est

_incompatible

avec la théorie

des cascades : si

_{l’expérience}

_{montre que les}

_gerbes

très denses sont

_{proportionnellement plus}

nom-breuses en

_altitude,

cela est contradictoire avec la

théorie

_d’après

_laquelle

les

_gerbes.

sont d’autant

plus

absorbables

_qu’elles

sont

moins

denses.

Lewis et Wolfenstein

_[10]

ont d’ailleurs

_depuis

mis à nouveau cette contradiction en évidence : ils

trouvent _que les cllocs d’Hofixnann de l’air très denses

_augmentent

extraordinairement

vite avec

l’altitude

_(2).

5. Grandes

_gerbes

de l’air

_{pénétrantes.}

-Corconi,

Loverdo et

_Tongiorgi

ont

_poursuivi

leur

expérience

en couvrant les

_{quatre compteurs}

de 15

à 20 cm de

plomb.

En même

_temps,

un

_système

de

compteurs

nus

_permettait

d’observer les coïncidences

sous

_{plomb accompagnées}

dé coïncidences dues à des

gerbes d’Auger

ordinaires.

Notamment,

ils ont utilisé un

_petit

_compteur

de I ~ cm2.

Les résultats ainsi obtenus sont

_consignés

dans le _{Tableau III. On voit que} ce

petit

_compteur

a été touché très souvent et _que les

_grandes

_gerbes

péné-trantes sont aussi des

gerbes

de

_grande

densité

électronique.

Autrement

dit,

les

_particules

péné-trantes v sont rares au

_milieu

des électrons. Telle est la conclusion des

_{expérimentateurs.}

Le

rapport $

_{pour les} coïncidences sous

_plomb

T

est de

_o,64

-!- _{0,10 : ceci conduit à une}

répartition

des

_gerbes

_{pénétrantes}

en densité de

_particules

pénétrantes

analogue

à la

_répartition

des

_gerbes

d’électrons avec _y =

1,5 T 0,2

(3).

(2) Lewis et Wolfenstein ont _montré, en outre, que l’exten-sion latérale des noyaux denses des gerbes d’Auger est bien moindre que d’après la théorie. Ils se _prononcent en faveur d’une origine locale pour ces condensations très denses,

de même _qu’Auger et Daudin d’après leurs observations à la chambre de Wilson.

(3) La nature des particules des grandes gerbes pénétrantes ayant été mise en évidence par des mesures _{d’absorption}

des grandes gerbes de o à 20 cm de _{plomb :} voir à ce _sujet COCCONI, LOVERDO et _{TONGIORGI, Nctturwisseiischafterz,}

31, p. 3 5.

-On

_peut

_{donc essayer} avec

_plus

d’audace d’étendre aux mésons très

_pénétrants

la méthode

_quantitative

exposée

par Dandin pour le

rayonnement

de

péné-tration _moyenne.

TABLEAU HL

Gerbes

_{pénétrantes.}

Supposons

que les mésons soient

répartis

au

hasard dans les

_gerbes

_d’Auger

en

_proportion

de n _puur 100 des

électrons,

cette

proportion

étant stable d’une

_gerbe

à l’autre. Les

_compteurs

couverts de

_plomb

sont donc des

_compteurs

d’enicacité

réduite,

_qui

ne

_comptent

_que n _pour Ioo des

trajec-toires,

ou encore ils sont

_{équivalents à}

_des comp-teurs de surface réduite à rL de leur surface nue.

100

Mais alors n doit être calculable

_d’après

la réduction

du nombre de coïncidences. L’écran doit réduire les coïncidences dans un

_rapport

(2 )~ .

.

~ I00

Les coïncidences

_paraissent

réduites d’un fac-teur ~~8o environ. Donc la réduction de _{surface par}

i

l’écran ou la

_proportion

f P des mésons sont de

(2O) Y,

_a80

soit

_{I- =}

_{3,5 pour} 1 on. Il _y

_aurait,

dans les

_gerbes

42

2,5

pour i oo de mésons environ. C’est la

conclusion même à

_laquelle

est _{parvenue Daudin} à la fois au _moyen de la chambre de Wilson et en

analysant

une

_expérience

avec un

_{compteur protégé.}

On a confirmation

_approchée

de

l’hypothèse

de

base par l’examen des électrons

accompagnant

les mésons. Les

_compteurs

_protégés

n’ont

_{plus qu’une}

surface de 0,025 X

_{(1 29}

et

_~58)

cm2,

soit 3 et 6 cm~

environ. Un

_compteur

nu de 15 cm2 a donc une

surface efficace bien

_plus

_grande.

Le calcul

_peut

se

faire par la formule due à Schatzmann. On

constate,

par

exemple,

que le

compteur

de 15 cm2 devrait être touché

_{respectivement}

-

dans g 1 et 82 _pour I o0

des cas.

_Or,

les

_proportions

observées sont

79+

1 o

_pour

100 et

₇₂₊

10 _pour 100. On voit que des

compteurs

protégés n’enregistrent

que des

gerbes

comprenant

une densité notable de mésons

et donc une densité énorme d’électrons.

_Cependant,

la densité

_{électronique}

avoisinante

_paraît

un _peu

plus

faible que

prévu.

Ceci a été constaté aussi à la chambre de Wilson _{par Daudin.}

6. ~Conolusion. - Les

expériences

étudiées

apportent

des faits nouveaux : elles

_appuient

les

résultats

_d’Auger

et

Daudin,

tandis

_qu’en

revanche,

l’analyse

faite par ces derniers

_permet

de les discuter

plus

à fond.

10 La loi de

_fréquence

des

_gerbes

de l’air en

fonction de la densité est

_prouvée

_par une

_expérience

directe et de

_grande

étendue : les coïncidences varient comme la

puissance

y de la surface.

20 Les

_expériences

faites en altitude

jointes

à celles faites avec la chambre fournissent la

_première

indication d’une lente _{variation de y avec la}

densité,

variation

_qui

a lieu dans le sens

_prévu.

3~ _{Il y} a contradiction au

_sujet

des variations

avec

l’altitude,

contradiction

_partielle

en ce

_qui

concerne

_{l’expérience}

et totale en ce

_qui

concerne

les conclusions.

4°

Il y a accord total au

_sujet

du

_rayonnement

très

_pénétrant

dans les

gerbes

d’Auger

qui

paraît

constituer 2 à 3 _pour i oo du

rayonnement

électro-nique.

De nouvelles

_expériences

_permettront

_peut-être

de lever certaines difficultés inhérentes au

grou-pement

de

_compteurs

en

parallèle.

Manuscrit reçu le 28 août 1947.

BIBLIOGRAPHIE. [1] COCCONI, LOVERDO and _{TONGIORGI, Phys. Rev., 1946,}

70, p. 841, 846, 852.

[2] AUGER et _DAUDIN, J. de _{Physique, 1945, 6, p. 233.} 2014

DAUDIN, Ann. de Physique, 1945, 20, p. 563. [3] DAUDIN, Thèses de _{doctorat, Paris, 1942;} Ann. de

Phy-sique, 1943, 18, p. 145 et _217. -

CLAY, Physica, 1943, 9, p. 897.

[4] DAUDIN, Thèses de _{doctorat, Paris, 1942,} p. 58.

[5] DAUDIN, C. R. Acad. _{Sc., 1943, 216, p. 483.}

[6] SKOBELTZYN et LAZARÉVA, Phys. Rev., 1946, 70, p. 439 [7] LEWIS, Phys. Rev., 1945, 67, p. 228. - KINGSHILL et

LEWIS, Phys. Rev., 1946, 69, p. 139. - LAPP, Phys.

Rev., 1946, 69, p. 321.

[8] DAUDIN, Thèses de doctorat, Paris, 1942, p. 35 et 36. [9] DAUDIN, Thèses de _{doctorat, Paris, 1942,} p. 59.