Les grandes gerbes de rayons cosmiques

HAL Id: jpa-00233636

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00233636

Submitted on 1 Jan 1939

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.

Les grandes gerbes de rayons cosmiques

Pierre Auger, Roland Maze, Paul Ehrenfest, André Freon

To cite this version:

LES GRANDES GERBES DE RAYONS

_COSMIQUES

Par PIERRE AUGER, ROLAND MAZE, PAUL EHRENFEST Jr, ANDRÉ FRÉON.

Sommaire. 2014 Les coïncidences entre des _compteurs de _{Geiger-Muller, placés} à des distances de _plusieurs mètres ont pu être décelées et ont conduit à mettre en évidence l’existence de très _{grandes gerbes} de rayons

cosmiques dans _{l’atmosphère.} Les caractères de ces _gerbes sont étudiés dans des laboratoires de haute

mon-tagne et à Paris. Ils conduisent à voir dans ces _gerbes des cascades de _{Bhabha-Heitler, produites par des} électrons _d’énergie très élevée _atteignant 1014 eV. Une composante pénétrante qui pourrait contenir des

neutrons est _également mise en évidence dans ces _gerbes.

1. Introduction. - Pour mettre _en évidence les effets secondaires des rayons

cosmiques,

Rossi

_jl]

a

employé

un

_système

de trois

_compteurs

de

_Geiger

Müller

_disposés

de telle sorte

_qu’une

seule

_particule

ionisante ne

_pouvait

les traverser tous les trois. Si les trois

_compteurs

sont mis en action

simultanément,

donnant une coïncidence dans les

_appareils

sélecteurs

qu’ils alimentent,

on a la _preuve du _passage simultané

de deux ou

_{plusieurs particules}

à travers

_{l’appareil ;}

les groupes de

particules

ainsi décelés se nomment

gerbes.

Rossi a montré

_qu’un

écran de

_plomb

dispo-sé au-dessus d’un tel

système

de

_compteurs

aug-mentait le nombre de

_{gerbes, qui}

est très

_petit

lorsque

les

_appareils

sont

_placés

à l’air libre sans

qu’aucun objet

formé de matière dense ne les domine. *

Cet effet obtenu ainsi en l’absence de tout écran a été

attribué aux

_gerbes

de l’air. Bothe et Schmeiser

_[2]

ont étudié la décroissance du nombre de «

_gerbes

de l’air »

lorsqu’on

écarte un des

_compteurs

du groupe, mais

n’ont pu mesurer l’effet au delà de

_quelques

déci-mètres,

le nombre de coïncidences obtenues devenant du même ordre de

_grandeur

que celui des coïncidences fortuites.

On

_peut

_cependant

s’attendre à

_observer,

dans un

milieu aussi _{peu dense que}

_l’air,

des

_{gerbes beaucoup}

plus

étendues en

_surface,

_d’après

la théorie de la

formation des

_gerbes

en cascades.

_Quoique

les

_angles

sous

_lesquels

sont émises les

_paires

successives de

positons

et de

_négatons

soient très

_petits,

_{les parcours} dans l’air sont assez

longs

_{pour leur}

_permettre

de

s’écarter notablement les uns des autres. Une étude des effets de ce _genre consiste donc à rechercher les coïncidences entre

_compteurs

_éloignés,

et _pour

_pouvoir

la faire utilement la réduction du nombre des coïnci-dences fortuites est nécessaire.

2.

_Appareils.

-

On sait que le nombre de coïnci-dences fortuites données par un

_{appareil dépend}

du

nombre de

_compteurs

et du

_{pouvoir de}

résolution du

dispositif

sélecteur. En.

_augmentant

le nombre de

compteurs

cependant

on diminue

généralement

la

grandeur

de l’effet _{utile que} l’on veut _mesurer, et

s’il est

_déjà

très

_petit

comme dans le cas

_présent,

ce

procédé

devient

_{rapidement impraticable.}

Nous avons

travaillé avec un nombre de

_compteurs

allant de 2 à 4

et avons dû par

_conséquent

_porter

notre effort sur

les

_qualités

du

_dispositif

sélecteur. Celui-ci a été construit par M. Roland Maze suivant les

principes

qu’il

a

_indiqués

dans un récent article

[3]

et le

_pouvoir

de résolution obtenu a atteint 5.10-6 sec. Cette

_valeur,

prévue

par le

calcul,

a été _{confirmé par} une

expé-rience

_simple

dans

_laquelle

le nombre de chocs indi-viduels de deux

_compteurs

est fortement

_augmenté

par

l’approche

d’une substance radioactive : aucune

augmentation

des coïncidences réelles n’étant à

prévoir

dans ce cas, l’accroissement du nombre de coïncidences observées n’est dû

_qu’à

l’obtention de fortuites

_plus

nombreuses. Le nombre de fortuites

peut

être

_évalué

_{par la formule}

où n est le nombre de chocs individuels par

minute,

x le nombre de

_compteurs

en coïncidences

_(supposés

recevoir le même nombre de

_chocs)

eut le

_pouvoir

de résolution en secondes. ~V est alors donné en coïnci-dences fortuites _par

_heure,

et son accroissement en

fontion de celui de n donne r.

Avec un tel

_appareil,

et en utilisant des

_compteurs

qui

donnent dans notre laboratoire environ 200 chocs par

min,

les nombres de fortuites sont les suivants

(par heure) :

On voit que

l’emploi

de deux

compteurs

n’est

possible

que pour la mesure d’effets assez

_notables,

mais

_qu’avec

_trois,

les fortuites sont absolument

négligeables.

Les

_compteurs

_employés

dans nos mesures

pro-venaient des

_{Établissements Philips (système}

Maux

Cosyns) ;

leurs dimensions utiles sont : 34 cm de

_long,

32 mm de diamètre. Cela

_représente

une surface utile d’environ 110 cm2 soit

_{1 /90}

m2. Dans les

_expériences

avec chambre de Wilson nous avons utilisé celle établie par P. Ehrenfest pour ses

_expériences

sur la

_perte

d’énergie

des mésotons

_(corpuscules

du _groupe

_D)

[4]

et dont les dimensions sont : hauteur 30 cm,

largeur

18 _cm,

_profondeur

utile

_3,5

cm. Cela

_représente

environ 400 cm2 de section efficace _{pour les}

trajec-toires de

_{particules cosmiques.}

3. Les

_grandes

_gerbes.

- Nous _avons étudié à Paris les coïncidences entre deux

_compteurs

_placés

horizontalement et

_{parallèlement}

l’un à l’autre

(schéma 1),

en fonction de leur

distance,

et constaté

Schéma 1.

que même si on les

_éloigne

de

_plusieurs

_mètres,

il reste un nombre de coïncidences

_(plusieurs

_par

_heure)

beau-coup

plus

élevé que les fortuites calculées

_d’après

le

pouvoir

séparateur

indiqué plus

haut. En

_opérant

avec trois

_compteurs,

les fortuites étant

_pratiquement

annulées,

il reste

_1,5

_{coïncidences par} heure avec des

compteurs

éloignés

de 3 m

(éloignement

des

_compteurs

extrêmes, d,

appelé

ici envergure du

_système).

Ce résultat nous

_ayant

_paru

intéressant,

nous avons

voulu nous assurer directement que les fortuites du

système

de

_compteurs

considéré étaient très peu

nombreuses,

et _pour cela nous avons descendu les

appareils

dans un laboratoire souterrain

_(à

28 m. de

profondeur).

Les trois

_compteurs

étant

_éloignés

de

1,50

m environ les uns des

_autres,

et leur nombre de chocs individuels étant du même ordre de

_grandeur

qu’au-dessus

du sol

_(à

cause des substances radioac-tives

_présentes

dans les

_murs),

nous avons attendu

24 h avant d’avoir une coïncidence

_(1).

Le résultat obtenu au-dessus du sol était donc réel et attribuable à l’existence de _rayons

_cosmiques

ionisants

_atteignant

simultanément

_plusieurs

_compteurs

_placés

à 3 m l’un

de l’autre. Nous nous sommes ensuite assurés de

l’ori-gine atmosphérique

de ces

grandes gerbes

en

_opérant

dans un laboratoire dont les

_parois

et le toit sont

cons-titués _par des matériaux très

_{légers (équivalents}

à 2 cm

d’eau).

Toute l’étude

_qui

suit a été effectuée dans ces

conditions.

Les

_grandes

_gerbes

étant ainsi caractérisées nous

avons étudié leur extension dans

_l’espace

_(surface

de sol

_qu’elles

arrosent),

la

_répartition

des

_particules

dans la

_gerbe

et leur densité

_{superficielle}

_(nombre

de

parti-cules _{par mètre}

_carré),

et enfin le

_pouvoir

_pénétrant

de ces

_particules.

Ensuite les mêmes

_expériences

ont

été

_répétées

dans des laboratoires de haute

_montagne,

(1) En _protégeant les _{compteurs par} 5 cm de _plomb, il a fallu attendi e soixante-douze heures pour avoir une coïncidence.

Observatoire du Pic du Midi

₍₂

900

m)

et Station

Scientifique

du

_Jungfraujoch

_{(3500 m.)}

afin d’étudier les variations du nombre et de la constitution de

ces

_{grandes gerbes}

avec

_{l’épaisseur d’atmosphère}

traversée. Les résultats résumés ont été

_indiqués

dans

une série de notes aux

_Comptes

Rendus

[5.J

4. Extension horizontale. - Si l’on étudie les coïncidences de deux

_compteurs

que l’on

éloigne

(courbe

de

_{décohérence)}

_par

_exemple

de 50 cm _{à 4 m,}

on observe une baisse de leur nombre

qui

est

rapi-de entre

_0,5

et

_1,5

_{m, puis}

_plus

lente

_jusqu’à

4 m. La

~

Courbe 1.

courbe 1 résulte des mesures faites de cette

_façon

au

Pic du Midi _par M.

_Robley.

Si l’on

_rapproche

les

compteurs

plus

près

que

0,5

m, on obtient encore

plus

de

_{coïncidences,}

mais les

_particules

à

_trajectoire

presque horizontale

peuvent

alors donner des

coïn-cidences vraies non dues aux

_gerbes

et fausser le résultat. Il faut alors

_opérer

avec trois

_compteurs,

ce

que nous avons fait en

_plaçant

deux des

_compteurs

l’un au-dessus de

l’autre,

parallèles

et

_horizontaux,

à

22 cm _{entre axes,} et en

_déplaçant

le troisième

(sché-Schéma 2.

ma

_2).

La

distance

horizontale de ce dernier

_compteur,

soit

_d,

a varié

dans

nos

_expériences

de 15 cm à 75 m.

Après

la baisse

_{rapide signalée}

_jusqu’à

_1,5

m, une

baisse de

_plus

en

_plus

lente se

_manifeste,

de telle sorte

_qu’au

Pic du Midi les nombres obtenus à î5 m

41

par heure

(1).

Au niveau de la mer nous n’avons obtenu au delà de 20 m _que des indications

qualita-tives,

montrant la

_présence

de

_grandes

_gerbes

de 50 m d’extension mais ne

_permettant

_pas d’évaluer

leur nombre.

La courbe 2

_représente

les résultats du Pic

_{pour d}

compris

entre 1 et 75 I11. La courbe 3 donne les résultats obtenus au niveau de la mer dans un

labo-ratoire construit en

_{pierre :}

la concentration des

rayons de

gerbes

est naturellement

_{plus grande qu’à}

l’air

_libre,

et se raccorde avec celles observées dans des

laboratoires recouverts d’écrans

_épais

et

_denses,

comme les laboratoires souterrains. On observe en

effet dans ces

conditions

_que la courbe de décohérence

(1) Une note de _KOLHORSTER~ MATTHEs et ‘VEBER [6] est ve-nue confirmer nos _premiers résultats au _sujet de l’existence de

ces _gerbes et de leur _grande extension.

dépend

essentiellement de la distance du

_plafond

d’où

divergent

les

_gerbes

et nous avons

_porté

directement

en abscisses les

_angles

de

_divergence.

Nous donnons aussi les

_points

_{obtenus par M. Wesolowski dans} une

cavité de 8 m de

_haut,

sous 100 m de sol. Les courbes

sont

_{homothétiques}

dans le

_rapport

des hauteurs de

plafond,

et l’évaluation de

_l’angle

de

_divergence

donne les mêmes valeurs : on

_peut

_prendre

_par

_exemple

l’angle

pour

lequel

le nombre de coïncidences tombe à

0,2

de la valeur

_{qu’il prend}

_{pour les}

_compteurs

très

rapprochés

(à

quelques

diam. de

_distance,

_{pour éviter} les effets des

_corpuscules

directs

_obliques).

Les

_angles

trouvés sont de l’ordre de 6°. Revenant aux

_grandes

gerbes,

si on admet l’identité de leur nature avec celle

des

_gerbes

locales,

on

_peut

évaluer la distance des

points

de

_divergence

dans

_{l’atmosphère ;}

la distance de décohérence à 1

_/5

est 50 m, d’où 500 m _pour

l’éloignement

des

_points

de

_divergence

des branches recueillies. Cette évaluation est nécessairement assez

grossière.

5. Densité des

trajectoires.

- 1° Méthode des

compteurs.

-Nous avons observé des différences notables entre les nombres de coïncidences obtenus avec

deux,

trois et

_{quatre compteurs.}

On

_peut

baser sur la

comparaison

de ces nombres une évaluation de la

den-sité

_{superficielle à}

des

_trajectoires

ionisantes, c’est-à-dire le nombre de

_{corpuscules qui atteignent}

un mètre carré de surface horizontale. En

_ajoutant

un

_compteur

de surface s

_(en

mètres

_carrés)

en coïncidence avec un

système

de n

_compteurs

on

_multiplie

le nombre de

de rencontre de ce nouveau

_compteur

_par une

parti-cule ionisante

_lorsque

les autres sont excités. Si on admet que la

_répartition

des

_particules

est

statistiquement

uniforme,

on

_peut

tirer de cette

mesure la valeur de la densité A _par: P = 1 - e- .l s.

Quant

A est

_petit

et s aussi on

_peut

écrire

_simplement

f1. Ces nombres ainsi calculés se tiennent aux

s

environs de 50

_trajectoires

_par mètre carré _pour des

systèmes

de

_quelques

mètres

_{d’envergure.}

20 Méthode de la chambre de Wilson. - Une

analyse

plus

détaillée de la

_répartition

des

_corpuscules

en

surface

_peut

être _{fournie par} une chambre à

_détentes,

qui

remplace

en

_quelque

sorte le

_compteur

supplé-mentaire de tout à l’heure. En fait on commandera

une chambre par un

_système

de

_compteurs

plus

ou

moins

_éloignés

et on

_comptera

les

trajectoires

visibles sur les clichés obtenus

(1).

Nous avons

_opéré,

au

Schéma 3.

Jungfraujoch,

avec trois

_compteurs

distants l’un de

4 m, les autres de 1 m de la chambre décrite

_plus

haut

_(schéma

_3).

Le nombre de déclanchements était

en _moyenne de 10 par heure. Les 210 clichés

pris

dans ces conditions montrent le

_plus

souvent des

trajec-toires de

_corpuscules

ionisants

_malgré

l’absence de tout

_compteur

_proche;

ils ont été classés _par nombre de rayons visibles. Une série de 44 clichés de contrôle

a été obtenue en manoeuvrant le déclanchement de la chambre au

_hasard,

et a été classée de la même manière : les deux

_{statistiques figurent}

sur les

cour-bes

_4,

et sur le tableau 1.

Courbe 4.

TABLEAU 1.

On voit de suite que ces résultats ne sont _pas ceux

que l’on attendait d’une

répartition statistiquement

uniforme. Dans ce cas on aurait la

_probabilité

"1’ ..

"bl d

(A S)n ni e- .1 s

pour

qu’il

y ait n

trajectoires

visibles dans

une chambre de surface utile s

(courbe

pointillée).

Cette différence est

_due,

au moins

_{partiellement,}

à

l’action des

_parois

de la chambre et de

_quelques

plaques métalliques placées

à l’intérieur

₍₁

mm de

(4) Cette méthode a été _{employée indépendamment} de nous

par Janossy et Lovell [7].

tungstène,

1 mm de

_tungstène,

5 mm de

_plomb)

et

dans

_lesquelles

se créent des

_gerbes

secondaires à

partir

des électrons formant les branches des

_grandes

gerbes.

De

_plus

dans un certain nombre de clichés

une

plaque

de

plomb

de 2 cm

_{d’épaisseur}

était

_placée

au-dessus de la chambre. Il résulte de ces effets

secon-daires une diminution du nombre de clichés avec un

petit

nombre de

_trajectoires

en faveur dès clichés

portant

de nombreuses

trajectoires.

On

_peut

tenter

d’éviter cette difficulté en considérant le nombre de clichés ne

_portant

aucune

_trajectoire,

nombre

_qui

n’est _{pas modifié par les effets}

_cités,

sauf

_peut

être en

43

-de tout

_corpuscule

est le nombre

expéri-mental est

:0

=

0,23

d’où d = 37

par mètre

carré. (1)

210 p

-Si on _compare cette valeur avec celle calculée en

prenant

la moyenne par cliché du nombre de

trajec-toires

_observées,

_{soit 125 par mètre}

_{carré ;}

on voit que les

corpuscules

incidents sont en _moyenne

_plus

que

triplés

par l’action des

plaques,

dont on

_peut

évaluer la densité moyenne à

1,5

cm de

plomb.

Tentons

_d’après

ces nombres une évaluation de

l’énergie

des

_particules

incidentes

_{(électrons).}

Les cal-culs de Bhabha et Heitler

[7]

montrent que des électrons

qui

sont

_multipliés

_{par 5} dans des

_plaques

de

_plomb

de 4

_1,

c’est-à-dire 16 mm

_{d’épaisseur}

_présentent

une

,énergie

E o

telle que =

lo gE E° = 5 où E

est

l’éner-JC/

gie

des

_particules

sortant du

_plomb.

Or d’autre

_part

l’énergie

de ces

_particules

sortant du

_plomb

et ne

donnant

_plus

de

_gerbes

est 107 eV. On déduit

Eo =1,5

10 8eV ce

_qui

est en accord avec les calculs

de

_l’énergie

moyenne des

particules

de

_gerbes

dans l’air. Nous pouvons donc

adopter

cette valeur dans 1 es évaluations

d’énergie

totale des

grandes gerbes.

30

_Répartition

des

_{trajectoires.}

- Nous

avons’vu,

en

étudiant la courbe de décohérence que l’on observait

une

_rapide

décroissance des coïncidences entre

deux

compteurs

lorsqu’on

les écarte de 15 cm à

1,5

m ; cela montre

_qu’on

a de

_grandes

chances

_{d’enregistrer}

l’impact

d’un

_corpuscule

dans le

_voisinage

immédiat d’un autre. On définit ainsi des sortes de condensations

locales, représentant probablement

le

_cortège

d’un électron de

_{grande énergie,}

entre

_lesquelles

la densité

superficielle

est moindre. La méthode des

_compteurs

permet

d’analyser

un _peu ces condensations.

Tout d’abord leurs dimensions sont de l’ordre de

quelques

mètres

_(diamètre

_{de leur section par} un

_plan

horizontal),

comme le montre la courbe de

décohé-r ence. La densité à l’intérieur de la condensation

_peut

être évaluée en utilisant _par

_exemple

un

_compteur

ou deux

_compteurs

voisins _pour fixer la

_position

de la

condensation,

un

_compteur

à _{distance d pour} sélec-tionner les

_{grandes gerbes}

_{d’envergure}

minimum

_d,

et un dernier

_compteur

_pour

_explorer

la

_répartition

Schéma 4.

auprès

du ou des

_premiers

_compteurs

(schéma

4).

La sélection des condensations est

_plus

efficace avec

(1) Ce nombre est un _minimum, à cause de l’introduction dans la _statistique de clichés sans _{rayons visibles,} dûs à un _{manque de}

umière ou à d’autres conditions défectueuses.

deux

_compteurs

_qu’avec

un, comme le montre la

plus grande

densité trouvée dans le

_voisinage

des groupes de 2. Le tableau II donne les

rapports

des

nombres

_{~’~’’2, ?~’3, i’" 4}

de _{coïncidences par heure obtenus}

avec ces

_arrangements

de

_deux,

trois ou

_quatre

comp-teurs avec ou sans le

_compteur

_explorateur

de la

condensation. La densité A calculée à

_partir

de ces

nombres,

et relative _par

_conséquent

à l’endroit où est

_ajouté

le dernier

_compteur,

est donnée aussi.

On voit _que les A obtenues avec un _groupe sélecteur

de deux

_compteurs

sont

_toujours

environ doubles de celles obtenues

_auprès

d’un

_premier

_compteur

seul. De

_plus

les densités obtenues avec d = 4 _m sont

supé-TABLEAU II.

rieures à celles obtenues avec d = 1 m, ce

_qui

montre que les

gerbes

de

plus grande

envergure sont

plus

fournies en

_particules

dans leurs condensations locales.

Enfin on

_peut

fixer la

position

d’une condensation

par deux

compteurs

voisins et

_explorer

la

_répartition

à

_plus

ou moins

_grande

distance d _par un troisième

compteur

supplémentaire.

On trouve alors des densités

beaucoup plus faibles,

décroissant

_{régulièrement}

avec

la distance : le tableau III donne les valeurs de A en

fonction de d observées au Pic du Midi.

On voit que hors des condensations et à des

TABLEAU III.

qu’à

l’intérieur. Ce sont ces valeurs de l

_qu’il

faut

choisir pour évaluer le nombre total de

particules

contenues dans une

_{gerbe :}

ainsi dans les

_gerbes

de 75 m

_{d’envergure}

étudiées au Pic du

_Midi,

la densité

minimum de 7 _{par mètre carré}

_trouvée,

_appliquée

à

une surface de 104 m2 donne un nombre total minimum

de 7.104 électrons. Comme il y a en

_plus

les

conden-sations,

on

_peut

tabler sur 105

_particules.

6.

Absorption

des

particules.

-- 10

Effets

secon-daires. -- Pour étudier le

pouvoir

de

_{pénétration}

des

particules

composant

une

_{grande gerbe,}

on

_peut

dis-poser

simplement

des écrans

(voûtes

de

plomb

par

exemple),

au-dessus d’un des

_compteurs

d’un _groupe étendu et observer la décroissance des nombres de

Schéma 5.

coïncidences obtenus

(schéma 5).

Avec cette

dispo-sition les effets secondaires

_qui

se

_produisent

dans

l’écran au _{passage des}

_particules

_{peuvent augmenter}

l’efficacité du

_compteur

couvert : certaines

_particules

qui

n’auraient pas rencontré le

_compteur

_peuvent

créer dans l’écran une

_gerbe

dont une branche vient

le mettre en action. De

plus

des rayons non

ionisants,

comme des

photons,

_peuvent

également produire

des

particules

ionisantes dans le

_plomb.

Nous avons en

effet constaté une

_augmentation

du nombre de

gerbes

en couvrant un des

_compteurs

de

1,5

cm de

_plomb,

et

cette

_augmentation

est

_plus

sensible

_lorsque

l’écran

présente

une

_{plus grande}

surface. Avec un écran de surface

_égale

à celle du

_compteur

on observe un effet

nul ou même une

_légère

décroissance

_(1).

Il est

_possible

de se mettre à l’abri des effets

secon-daires en

_plaçant

les écrans entre deux

_compteurs,

comme on le fait dans les mesures ordinaires

d’absorp-(1) De récentes mesures effectuées au _{Pic par M. Robley} avec

deux compteurs éloignés de 2 m, ont donné 27 coïncidences horaires avec des voûtes de 1,5 cm _{d’épaisseur} et 7 cm de largeur,

et 60 avec des voûtes de même épaisseur et de 16 cm de _largeur.

tion de

_{particule .}

Mais ici il faut

_protéger

latérale-ment le

_système

de deux

_{compteurs superposés}

_par des murs de

_plomb

_{pour éviter l’effet des}

_gerbes

obliques.

Avec un tel

_dispositif

_{(schéma 6),}

compor-Schéma 6.

tant deux

_compteurs

à 20 cm l’un au-dessus de

l’autre,

plus

un troisième à 4 m de

_distance,

nous avons obtenu au

_Jungfraujoch

les nombres du tableau IV.

TABLEAU IV.

Les effets

secondaires,

très

_marqués

dans le cas des

systèmes

de

_petite

_envergure

_(d

20

m),

deviennent faibles

_{pour d}

= 50

m, distance à

laquelle

la courbe

d’absorption

par voûtes

présente

un

_départ

_horizontal,

et

_ne

_jouent

_plus

de rôle

_important

à 75 m où la courbe décroît dès les

_premiers

centimètres

_d’écran,

comme

pour les écrans

interposés.

On

_peut

voir là une

indica-tion de

_l’énergie

moindre des électrons

géométrique-ment très écartés des condensations ou les

_particules

les

_{plus énergiques}

sont

_{présentes (courbe}

_5).

45

20 Portion

_{pénétrante.}

- Les courbes

d’absorption

peuvent

être suivies

_jusqu’à

des

_épaisseurs

d’écran de

plomb

assez

_{grandes. Ainsi,}

sous des voûtes de 10 _cm,

il reste encore un nombre

_appréciable

de coïncidences

(voir

courbe

_5).

Le tableau IV montre

_également

une

persistance

des

_{particules après}

10 et même 15 cm

de Pb. Pour nous assurer de l’existence de cette

_partie

pénétrante

et évaluer son

_importance,

il a _paru

néces-saire de se mettre à l’abri de l’effet des

_gerbes

diffusées si abondantes que les clichés de chambre à détente

nous ont montré. Pour

_cela,

une

_expérience

a été faite au

_Jungfraujoch

avec un

_système

de trois

_compteurs

Schéma 7.

(schéma 7),

où l’un d’entre eux

_pouvait

être entouré

d’un

_cylindre

de

_plomb

de

_8,5

cm

_{d’épaisseur, plus}

long (60

cm)

que lui et

réalisant,

par

conséquent,

une

protection

efficace ;

un écran

_{supplémentaire}

de 10 cm

d’épaisseur

pouvait

être encore

_ajouté

sur le

_cylindre.

La distance extrême entre

_compteurs

était

_1,3

m.

(Pour

des raisons

_étrangères

à ce travail l’ensemble était

_disposé

en _gros dans un

_plan

à 70~ de

l’horizon-tale,

un des

_compteurs

étant fortement écarté du

_plan

des deux

autres.)

TABLEAU V.

Les nombres du tableau V montrent

_qu’au

delà de

_8,5

cm de Pb subsistent 1

_/7

des

_particules

de

gerbes,

et au delà de

18,5

_{cm, 1}

_/15

des

_particules

inci-dentes réussissent encore _{à provoquer le}

déclanche-ment du

_compteur.

Les différents

_arrangements

employés

pour mettre en évidence cette

_partie

péné-trante dans

les

_gerbes

étudiées sur 1 à 4 m d’extension

fournissent des

_proportions

allant de

_0,15

à

_0,25

_pour la

_partie

traversant 10 cm de Pb. De

_plus,

une

portion

plus faible,

de l’ordre de

_0,05

traverse 20 cm. Il est

intéressant de remarquer que les mesures de densité

superficielle A

des

_trajectoires

faites au

_voisinage

d’un

compteur

couvert d’un tel écran de 10 cm de Pb

four-nissent des valeurs très élevées

_atteignant

_{125 par} mètre carré. Les

_portions

_{pénétrantes}

sont donc

asso-ciées aux condensations.

On

_peut

_rapprocher

de ces

_expériences

des mesures

faites _{par nous, il y} a

_quelque

_temps

_déjà,

_pour

recher-cher l’existence de

_gerbes

dont certaines branches sont

pénétrantes.

Dans un _{sous-sol peu}

_{profond (1}

m de

_sol)

nous avons obtenu des coïncidences entre _trois

comp-teurs entourés et

_séparés

_par des

_briques

de

_plomb

de 5 à 10 cm

_{d’épaisseur}

_{(schéma 9).}

Les nombres de coïncidences _par heure en fonction de

_{l’épaisseur}

de

l’écran

_{supplémentaire}

e

_(cm

de

_Pb)

ont été :

Ces nombres montrent un effet

réel,

décroissant avec

e, mais très lentement.

30 Clichés de détentes. - Nous _avons cherché à obtenir des clichés Wilson de ces

_portions

péné-trantes,

avec

_{l’arrangement}

suivant

_(schéma

_{8) :}

Schéma 8.

au-dessus de la chambre sont

_placés

deux

_compteurs

1 et

_{2, superposés,}

_séparés

_par une

_{large plaque}

de

_plomb

de 6 cm

_{d’épaisseur}

et de 50 cm X 40

_cm).

Le

_compteur

_supérieur

_est,

en

_outre,

recouvert d’une voûte de 6 cm de

_plomb.

Deux autres

_compteurs,

3 et

_4,

sont

_placés

à distance

_(schéma

_8).

Cet ensemble commandait par ses coïncidences

_(au

nombre de

1,5

par

heure)

le fonctionnement de la

chambre,

et a

donné

_{quarante-huit}

clichés sur

_lesquels

on ne

_peut

pas reconnaître de

particules

pénétrantes

typiques.

Il faut

_cependant

_{remarquer que} la

_disposition

géo-métrique

des

_compteurs

1 et 2 _{n’était pas telle}

_qu’un

rayon les traversant doive nécessairement traverser la

_chambre,

ceci à cause des dimensions

_trop

_grandes

de ces

_compteurs.

_{D’ailleurs,}

une série de

_quatorze

cli-chés de contrôle _pour

_lesquels

la chambre n’était commandée _{que par} les

_compteurs

1 et

_2,

n’a donné

TABLEAU VI.

trait le

_{plus remarquable}

est la

_présence

de

_sept

tra-jectoires

présentant

une

_grande

densité

_{d’ionisation,}

attribuables à des

_protons.

Cette

_proportion

de

sept

sur

_{quarante-huit}

clichés est très

_supérieure

à celle de 1 à 2 _{pour 100 observée par Anderson} et

par nous mêmes.

_D’après

les

_expériences

présen-tées

_ici,

on ne

_peut

conclure fermement au

_sujet

de la

présence

ou de l’absence des mésotons dans les

grandes

gerbes,

mais une indication nette de l’existence dans

la

_partie

_pénétrante

de ces

_gerbes

d’un

_rayonnement

à forte interaction nucléaire a été trouvée.

Nous _pensons

_qu’il

_s’agit

de «

gerbes

de neutrons _»,

mëlées aux électrons de la

_{grande gerbe}

et

_présentant

des parcours du même ordre. Un récent travail de Bhabha

_(Proc.

_Roy.

_Soc.,

_’L938,

_166,

₅₀₁₎

fait

_prévoir

des sortes de cascades de neutrons et de

_protons,

_par chocs successifs à

_partir

d’un neutron

_rapide

initial. Les mésotons

_qui

sont sans doute

_également

formés

~

Courbe 6.

dans les

_{grandes gerbes}

sont

_plus

rares et _leurs

par-’

cours très

_grands

leur

_permettent

de

_{s’éloigner}

beau-coup des centres de condensation de ces

_gerbes.

7. Relation avec les

_gerbes

locales. - Les études

qui précèdent,

montrant le

_grand

effets

_gerbigène

des électrons

_présents

dans les

_{grandes gerbes,}

nous avons

cherché à

_préciser

les relations _que

_présentent

celles-ci

avec les

_gerbes

locales caractérisées par des

groupe-ments étroits de

_compteurs,

_disposés

horizontalement suivant les arêtes d’un

_{prisme triangulaire}

_par

_exemple.

Avec un tel

_groupement,

recouvert de voûtes de

_plomb

₍₁₎

(~) Jusqu’à 10 cm d’épaisseur, ensuite de larges plaques étaient

ajoutées au-dessus (voir dessin _accompagnant les _courbes).

Courbe 7. "

d’épaisseur

variable,

nous avons obtenu une courbe

de Rossi

_typique

(courbe 6).

Associant à ce _groupe un

quatrième

compteur

éloigné

de

_3,5

m

_(voir

_dessin),

nous

avons obtenu une courbe très

_analogue

_{(courbe 7),}

présentant

un maximum pour la même

_épaisseur

de

1,5

cm de

_plomb,

et dont le

_palier,

pour les

grandes

épaisseurs,

s’étend au delà de 10 cm. Le

_rapport

des

nombres obtenus avec et sans

_quatrième

_compteur

varie de 1

_/10,

en l’absence

_d’écran,

à 1

_/70

dans la

région

du

_maximum,

et atteint 1

_/100

vers les

_grandes

épaisseurs.

La corrélation des

_gerbes

locales avec les

grandes gerbes

est donc moindre _pour les

_gerbes

pro-duites sous les écrans

_épais.

On

_{peut peut-être}

47

écrans,

des

_gerbes

locales en cascades

_produites

_plus

ou moins directement _par les

_mésotons,

lesquels

ne

seraient pas

généralement

associés à de

_grandes

gerbes

denses dans leur

_voisinage.

Schéma 9.

8.

_Origine

et constitution. - Les

grandes

gerbes

présentent,

avec

_{l’altitude,}

une variation

considé-rable de nombre.

_Ainsi,

un même

_dispositif,

repré-senté par le schéma 2 avec d = 4 m, a

_donné,

dans les

trois stations où nous l’avons

_utilisé,

les nombres

sui-vants

_(n

= coïncidences

triples

par

heure) :

’

Paris,

H

_{= 10,3}

... n =

1,4

Pic du

Midi, H

=

7,2

_{... n} = 8

Jungfraujoch,

H =

_6,8

_{... n} == 13

On voit que le nombre n croît très vite

_quand

H

(écran

d’eau

_équivalent

à

_{l’atmosphère}

_traversée,

en

mètres)

décroît. Cette croissance est de l’ordre de celle que montre le groupe mou, et même

supérieure.

Le groupe mou étant formé d’électrons et de

_photons,

descendants de ceux

_{qui atteignent}

la haute

atmo-phère,

on

_comprend

très bien les variations des

grandes

gerbes

si on leur

assigne

la même

origine,

ou

plutôt

si

on les identifie. Il

_{s’agissait seulement,}

_ici,

des effets cohérents d’une

_particule

initiale

_d’énergie

très

_élevée,

tandis que dans le groupe mou, non

_cohérent,

_on a un

mélange

d’effets de provenances diverses. Les

grandes

gerbes produites

initialement _par un seul électron se

multiplient

par cascades dans

l’atmosphère,

dont

l’absorption

les fait ensuite

_{disparaître.}

Seuls,

les effets d’électrons

_{d’énergie supérieure}

à 1011

eV,

ont

quelque

chance d’atteindre le niveau de la _{mer ; pour}

produire

en cet endroit encore 105

particules, l’énergie

devrait être de l’ordre de 1014 eV au moins.

Comparons

ce résultat avec les évaluations de

l’éner-gie

totale des

_{grandes gerbes}

_{que l’on}

_peut

faire

_d’après

nos mesures. On

_peut

totaliser

_l’énergie

des 105

élec-trons,

pour la

plupart gerbigènes

dans le

plomb

c’est-à-dire de

_1,5.

.108 eV

_d’énergie

_{moyenne ; le} résultat

_indique

donc une

_énergie

totale

_supérieure

à

_1,5.1013

eV. Comme il est

_probable

_{que les}

_5/6

environ de

l’éner-gie

de la

_gerbe

sont

_dépensés

au cours de la descente

dans

_{l’atmosphère,}

_compte

tenu du rôle des

_photons,

cela

_indique

une

_énergie

initiales de 1014 eV.

9. Nombre des

_{grandes gerbes.}

- On

peut

évaluer le nombre réel de

_{grandes gerbes}

touchant en 1 h un _espace restreint

(1 m2,

_par

exemple).

Prenons le cas du Pic du Midi : le nombre de coïncidences de deux

compteurs

à 4 m l’un de

_l’autre,

est 20.

_Or,

_chaque

compteur

a une

_probabilité

de

_0,25

d’être _{touché par}

une

gerbe

de densité 25 par mètre

_carré,

qui

est celle

trouvée,

en _{moyenne, à 4} m d’un

_compteur

_déjà

touché. On trouve _{alors que le nombre réel de}

_gerbes

intéressant la surface étudiée en 1 h est de l’ordre de 300. Des calculs

_analogues

_{pour le niveau de la}

mer donnent 50 _{et pour le}

_Junfraujoch

_,450

_gerbes

par heure.

D’autre

_part,

nous _pouvons évaluer le nombre de

particules

initiales de

_{grande énergie}

_{qui atteignent}

1 m2 de surface horizontale dans la haute

_atmosphère,

puisque

les

_{gerbes qu’elles produisent}

sont

_réparties

sur une surface de

_quelques

milliers de mètres dans la

basse

_atmosphère.

En

_prenant,

_par

_exemple,

2 500

m2,

qui

est la surface couverte avec une densité

_supérieure

à _{10 par} mètre

_carré,

on voit

_qu’il

suffit de

_0,1

_particule

par mètre carré et _{par heure dans la haute}

_atmosphère

pour déterminer l’effet observé au Pic du Midi. Pour celui observé à

_Paris,

il suffit de

_0,02

_particule.

Comme

l’énergie

des électrons initiaux nécessaire croît

_quand

on descend dans

_{l’atmosphère,}

on voit que le

_spectre

d’énergie

de ces électrons est bien tel _que leur nombre décroît

_lorsque

leur

_énergie

croît et _{que la}

_répartition

spectrale

valable pour les

particules cosmiques

d’éner-gie moindre, répartition

dans

_laquelle

le nombre de

corpuscules d’énergie

~ E varie comme E-- est en

accord d’ordre de

_grandeur

avec les données ci-dessus.

Enfin,

nous _{pouvons chercher le rôle des}

_particules

des

_{grandes gerbes}

_{dans la constitution du groupe}

mou. On sait que le nombre d’électrons de ce _groupe

frappant

1 m2 au niveau de la mer est de _{6. Z0~ par} heure. Sur cette

_surface,

les

_grandes

_gerbes

fournissent 50 X 25

_=1,25.103

_particules

en _{moyenne. La}

portion

cohérente du groupe M formant les

grandes gerbes

est

donc de 2 _{pour 100. Un calcul}

_analogue

_{fournit pour} le

_pic

du Midi ou le

_Jungfraujoch

la fraction 3 _pour 100. Le reste du _groupe

_provient

d’une

_part,

des _rayons secondaires des

_particules

_{pénétrantes}

et de leurs électrons de

_{désintégration,}

et d’autre

_part

des fins des

gerbes produites

par les électrons

d’énergie

insuffisante pour donner des effets secondaires abondants dans la basse

_{atmosphère. Remarquons}

_que les

_proportions

trouvées ici sont voisines de celles trouvées dans

l’ana-lyse

des

_rapports

entre

_gerbes

locales et

_{grandes gerbes}

au

_{Jungfraujoch :}

avec un écran de

_1,5

m de

_Pb,

il

y a un choc sur

_compteur

_{à 4 m,} associé _pour

soixante-dix

_gerbes

_{locales ;}

en tenant

_compte

de l’efficacité de

0,25/lu

compteur

à 4 m, on trouve

_{qu’en proportion}

de

carré à 4 m de distance d’une

_{condensation).}

L’associa-tion est

_{beaucoup plus}

étroite sans

_{écran, et,}

dans

ce _cas, on

_peut

même dire

_qu’elle

est

_pratiquement

complète.

Au

_contraire,

elle est

_plutôt

moindre _pour les écrans

_épais,

ce

_{qui indique}

_que les

_gerbes

_locales,

produites

dans ces conditions ne sont _pas

_toujours

dues à des condensations

_{particulièrement}

intenses

frappant

les

_écrans,

mais aussi à des

_particules

péné-trantes

_(mésotons).

Conclusion. - En

conclusion,

nous _pouvons voir

dans les

_grandes

_gerbes,

l’effet d’électrons

_d’énergie

très élevée

_(>

1013

_{eV) atteignant l’atmosphère ;}

ils y

produisent

une immense

_gerbe

en

_cascade,

_pouvant

se

prolonger jusqu’au

sol. Dans cette

_gerbe,

une ou

plu-sieurs condensations

_marquent

les

_régions

_{où les} par-ticules

_{d’énergies}

les

_plus

élevées se

_propagent.

Loin des

condensations,

on rencontre des électrons

_d’énergie

faible

₍

_108).

La

_{dispersion angulaire}

des rayons est

faible,

quelques degrés

pour les

particules

de

_grande

énergie, qui divergent

dès la haute

_atmosphère

et une

dizaine de

_degrés

_{pour les}

_particules

de faible

_énergie

dont le _{parcours est} de l’ordre du kilomètre d’air. Dans

ces

_gerbes

existe une

_composante

_pénétrante

dont les

effets se font sentir au delà de 15 cm de

_plomb,

et

_qui

paraît

contenir des éléments à forte interaction avec

les noyaux.

Il

_paraît

_{intéressant de remarquer que l’observation} des

_grandes

_gerbes

est la seule méthode

_capable

actuellement de déceler et de _{caractériser par leurs}

effets,

des électrons

_d’énergie

_{aussi élevée que} 1013

eV,

les méthodes de courbure

_magnétiaue

étant tout à fait

impuissantes

dans ce cas. L’existence de tels électrons

est en elle-même suffisante _pour éliminer

définitive-ment les

_hypothèses

sur

_l’origine

des rayons

_cosmiques

qui

font intervenir l’annihilation de

_particules

_lourdes,

puisque

celle d’un atome d’uranium ne

_peut

fournir que 2.1011 eV. D’autre

part,

l’extension du

_spectre

d’énergie

au delà de 1014 eV est rendue

_probable

_par l’accord

_approximatif

avec la loi en E-2.

Manuscrit reçu le 28 novembre 1938.

BIBLIOGRAPHIE

[1] ROSSI. Z. _f. Physik, 1933, 82, 151.

[2] BOTHE et SCHMEISER. _{Physik. Z., 1937, 38,} 964. [3] R. MAZE J. de _{Physique, 1938, 9, 162.}

[4] P. EHRENFEST. C. _{R., 1938, 207,} 573.

[5] P. AUGER et collaborateurs. C. _{R., 1938, 206, 1721 ;} 1938 207, 228.

[6] KOLHORSTER, MATTHES et WEBER. Naturwiss, 1938, 26, 576. [7] JANOSSY et LOVELL. Nature, 1938, 777, 716.