HAL Id: jpa-00233958
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00233958
Submitted on 1 Jan 1946
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.
Recherches sur les protons de grande énergie et sur les
mésotons dans la partie pénétrante du rayonnement
cosmique
L. Leprince-Ringuet, M. Lhéritier, R. Richard-Foy
To cite this version:
sur les mésotons habituels. En
effet,
une collisionne
peut
fournir de mesure que si le moment réduit P _MPc 2
oc C2(p
étantl’impulsion)
est faible(P
4).
Or les
particules
constituant lerayonnement
péné-trant ont uneimpulsion
moyenne pc de 1000à 2000.106
eV,
et rares sont lesparticules
d’impul-sion très inférieure à cette valeur.
Or,
pour le mésoton de massez4o,
M oc2 (’-J
I 2 o . 1 06 eV ;
P est donc en moyenne de l’ordre de 10 et l’on nepeut
obtenir au mieuxqu’un
encadrementextrême-ment lâche de la masse. En revanche la
particule
de masse 1000 a un1"10 c2
^-_f 500.106eV;
on voitdonc que la
plupart
des collisions observées sur des rayons de masse élevée donneront des mesuresconvenables,
voireprécises,
alors que les collisions observées sur des mésotons donneront engénéral
de médiocres encadrements de la masse, et extrême-ment rareextrême-ment une mesure. Nos résultats sont en
bon accord avec cette remarque.
Manuscrit reçu le 18 janvier 1946.
RECHERCHES SUR LES PROTONS DE GRANDE
ÉNERGIE
ET SUR LES
MÉSOTONS
DANS LA PARTIEPÉNÉTRANTE
DU RAYONNEMENTCOSMIQUE
Par L.LEPRINCE-RINGUET,
M.LHÉRITIER
et R. RICHARD-FOY.Sommaire. 2014 Au cours d’expériences faites avec une
grande chambre de Wilson et un champ
magnétique sur la partie pénétrante du rayonnement cosmique, on a observé :
1° Un groupe de protons de grande énergie, dont le moment réduit, $$ P =
pc/M0 c2,
est compris entre 0,33et 0,65 (les protons n’étant pas faciles à distinguer pour des moments réduits supérieurs à cette valeur).
Ce groupe représente 3 pour 100 du rayonnement pénétrant compris dans le même intervalle d’impulsion. 2° Un certain nombre de trajectoires ionisantes attribuables à des mésotons dont la masse serait
de l’ordre de 200 m0.
3° Cinq trajectoires qui seraient, par la considération de leur courbure dans le champ et de leur
ioni-sation, intermédiaires entre protons et mésotons de masse 200. Aucune précision ne peut être donnée sur
la valeur exacte de la masse. Ces observations s’ont en accord avec une mesure de masse par collision
élastique, donnant M0 = (990 ± 12 pour 100) m0.
Les résultats que nous exposons dans cet article ont été obtenus en
majeure partie
àLargentière
y
o0o md’altitude)
avec lagrande
chambre deWilson de
75
cm, commandée parcompteurs,
baignant
dans unchamp magnétique
de l’ordrede 3 ooo gauss. Au cours de
plusieurs
saisons detravail 10000 clichés
dé
trajectoires
ont étépris,
lerayonnement
étant engénéral
filtré par 12 cmde
plomb.
Cestrajectoires,
qui
traversent la chambre depart
enpart
enprésentant
presque toutes l’ionisationminimum,
sont engénéral
attribuablesà des mésotons de
grande énergie
du groupe dur. En dehors desexpériences
deLargentière,
nous avons aussi tenucompte
dans ce travail de résultats obtenus en1938
à Bellevue avec une chambre deWilson
de 55 cm et lechamp magnétique
del’électro-animant de l’Académie des
Sciences,
soit o oooou r 3 00o gauss. °
En examinant les
trajectoires,
nous avons constatéque, pour un
petit
nombre d’entreelles,
l’ionisation était nettementsupérieure
au minimum et nous avons estimégrossièrement
sa valeurpar la
proximité
des
grains
etl’aspect plus
ou moins continu du rayon. D’autrepart,
nous mesurions le rayon decourbure avec une
précision
engénéral
trèsbonne,
vu la
grande longueur
de latrajectoire
observée. L’observation de l’ionisation ne conduit pas àune véritable mesure,
puisque
le rayon estphoto-graphié
trop
peu detemps
après
sonapparition
pour que l’on
puisse
dénombrer lesgouttelettes.
Il nes’agit
que d’une estimation assezgrossière,
qui,
dans certains cas, se limite d’ailleurs àl’indi-cation d’un minimum d’ionisation ou à celle d’un
maximum. Le fait que les
trajectoires
étaient toutesphotographiées
dans des conditionsparfaitement
identiques (nous
avions le contrôle de ces conditionspar l’observation constante des
trajectoires
degrande
énergie
dont l’ionisation estminimum)
nous a donné unegarantie
solide pour l’estimation del’ionisation : une
trajectoire
dont d’ionisation estégale
a trois fois le minimum sedistingue
trèsbien,
par la densité et
l’espacement
desgrains,
d’unetrajectoire
dont l’ionisation est voisine duminimum;
une apparence presque
continue,
avec toutefoisla subsistance de
quelques granulations, correspond
à une ionisation de 5 à 6; pour lestrajectoires
parfaitement
continues l’on nepeut
en revancheindiquer
que le minimum de leur ionisation.La validité de cette méthode s’est d’ailleurs montrée bonne dans le cas des
protons
degrande
énergie :
nous avons enparticulier
observé ungroupe assez
important
detrajectoires
présentant
une ionisation de l’ordre de 2,5 fois le minimum et
qui
seplace
bien sur la courbedonnant,
pour lesprotons,
l’ionisation en fonction duproduit H~
du rayon de courbure par lechamp magnétique.
Or il s’est trouvé que toutes cestrajectoires correspondaient
e f f ectivement ù
des rayonschargés positivement,
venant de haut en bas. Nous n’en avons trouvé
aucune
correspondant
à un rayonchargé
négati-vement. Cette
constaLation,
jointe
au fait que lespoints figuratifs
destrajectoires
seplacent
d’unefaçon
remarquable
sur la courbe desprotons,
nousdonne une bonne
garantie
pour nos estimations.On sait que,
moyennant
certaines conditionsfavorables,
onpeut
déterminer la masse au reposd’une
particule,
si l’on connaît à la fois le rayon de courbure de latrajectoire
dans unchamp
gagné-tique
et l’ionisationproduite.
Pour faire cottemesure on utilise
pratiquement
la courbe tirée de la formule de Bloch ou de Bethe(1), qui
donne,
pour les diverses masses, l’ionisation en fonction
du
produit (Hp)
dachamp
magnétique
par le rayon de courbure.Dispositif
permettant
un calculrapide
de lamasse à
partir
de l’ionisation et du rayon de courbure. - Pourpermettre
une mesure facilede la masse à
partir
de l’ionisation et du rayon decourbure,
nous avons construitune. règle
qui
indique
en mêmetemps
l’ordre degrandeur
des erreurs commises dans les différentes mesures.D’après
la formule . deBloch,
l’ionisation n’estfonction que du moment réduit P de la
particule
et des
caractéristiques
de la matière traverséep étant le moment
cinélique
etlll o
la masse aurepos. Nous pouvons donc tracer une courbe
qui
donne le
rapport
de l’ionisation à l’ionisation minimum en fonction du moment réduit pour unpoids
atomique
déterminé.Si on la trace en échelle
bilogarithmique,
onporte
en ordonnéelogy-? et
en abscisselogP.
ParIo "
ailleurs,
-pour une
particule
decharge
unité, p.
étant lerapport
Mo
des masses au repos de laparticule
etmo
-de l’électron
9--
u-(1) H. BETHE, Handbuch der Physik, Vol. 4, 21 (Springer,
Berlin, 1933), p. 523. - F.
BLOCH, Ann. d. Physik, 1933, 16, p. ~58.
’
-
Si sur une
première
~ échelle nousportons
~log Q
oC"(une
valeur déterminée étantreprésentée
parexemple
par lesegment OA);
-,, si sur .une deuxièmeéchelle,
mobile parrapport
à lapremière,
nousportons log P
représenté
par lesegment
0’A’,
enfaisant coïncider les
points
A et A’ nous obtenons en00’,
log~..
Il suffitdonc
degraduer
cesegment
en valeurs de p.
L’appareil
réalisé contient un cadre fixe et deuxparties
mobiles : uneplaquette
portant
la courbed’ionisation en fonction de
P,
capable
de sedéplacer
parallèlement
à l’axe desabscisses,
et uneréglette
sedéplaçant
selon l’axe des ordonnées.Fig. i et 1 bis.
’
Si nous
partons
d’une ionisation connue;repérée
par la
position
de l’horizontaleBB’,
cette hori-zontale coupe la courbecaractéristique
de l’ioni-sation en unpoint
Ccorrespondant
à un momentréduit P ~ que l’on obtient par l’abscisse de la
verticale C’ C" sur la
plaquette
mobile.D’autre
part
nous connaissons le3ooHp
de laparticule
que nous mesurons. Il suffit donc d’amener la verticale C’ C" à passer par cette valeur de 3 0oH p :
nous devons
lire,
enregard
del’origine
de la courbed’ionisation,
la valeur de la masse au repos.Les incertitudes sur les mesures se matérialisent facilement par un
rectangle
permettant
d’obtenirimmédiatement l’incertitude dont est affectée la
valeur de la masse.
Si l’on
change
de matièreabsorbante,
il suffit dechanger
liaplaquette
mobilequi
porte
la courbe d’ionisation.Déterrnination
graphique
du parcours d’uneparticule.
- Cepetit appareil
permet
aussid’obtenir le parcours d’une
particule
dont onpeut
mettre le parcours réduit en fonction dumoment réduit sous la forme
pour l’air dans les conditions normales de
tempé-rature et depression,
enexprimant
R encenti-mètres. Pour une autre matière il suffit de se
rappeler
que le parcours réduit est
proportionnel
àNz,
nombre d’électrons par centimètre cube.Si l’on établit des échelles
bilogarithmiques,
onvoit que le
logarithme
de R et celui de P sont liés par une relation linéaire.Donc,
lorsque
nous connais-sons, par l’ionisation d’uneparticule,
la valeur deson moment réduit que nous
repérons
par laverticale
C’C",
il suffit deprendre
l’intersection de cette verticale avec la droitereprésentant
leparcours réduit R pour obtenir en D la valeur de ce dernier. Comme R est
égal
auquotient
de r, parcoursréel,
par l1-o, nous avonsNous
lisons,
selonOD’,
log R.
Ondéplace
laréglette
defaçon
on que 0D’ soitégal
àlog
zut, etlit,
sur cetteréglette,
enD’D ",
log
r.’
On a
donc,
à la fois sur un mêmegraphique,
leparcours,
l’ionisation,
la masse, le3ooHp
et le moment réduit si on ledésire;
l’onpeut facilement,
à
partir
de deux élémentsquelconques,
calculer tous les autres. L’influence des erreursexpéri-mentales
apparaît
immédiatement.Résultats.
Observation de
protons
degrande
énergie.-Nous avons tracé sur la
figure 2
les courbes de Bethe et de Bloch pour les trois masses suivantes : 25o(mésotons normaux),
i ooo, 1 850(protons).
Onporte
en ordonnées lerapport
de l’ionisation àl’ionisation minimum et en abscisses la valeur de
Log1oHp.
’
Fig.2.
Considérons
d’abord,
pour unetrajectoire
déter-minée,
l’indication des incertitudes sur les mesures.Celle concernant la courbure est
indiquée
par lalongueur
du trait horizontalplacé
à labase,
celle concernant l’ionisation par le trait vertical. Certains traits verticaux sont terminés par uneflèche,
celasignifie
que l’on nepeut
estimer le maximum del’ionisation,
mais que l’onpeut
seulement donnerune indication du minimum.
Considérons d’abord les rayons nombreux
qui
se trouvent rassemblés dans la
partie
droite de lafigure
pour des valeurs deLog Ho
comprises
entre 6,1et
6,4.
Lesparticules correspondent
bien à desprotons
observés dans unerégion
où leur momentréduit
P = Pc estcompris
entreo,65
et o,33. Mo Ci,Nous avons trouvé 35
protons
degrande énergie
sur environ 7ooo rayons retenus pour les mesares.Il ne
s’agit
pas ici deprotons
lents,
engénéral
proches
de leur fin de parcours etproduisant
uneionisation
beaucoup plus
élevée et que l’on observefréquemment
dans les directions lesplus
diverses : lesprotons
dont nousindiquons
ici l’existence-de
grande énergie
du groupedur;
ils en diffèrentseulement par une ionisation un peu
plus
élevée.Si nous comparons le nombre de ces
protons
aunombre de mésotons observés dans la même
région
duspectre
d’impulsion,
nous trouvons que leurproportion
est de l’ordre de 2,5 à 3 pour Ioo. Pour lesimpulsions supérieures
à 700 millionsd’électron-volts,
il n’estplus possible
dedistinguer
unproton
d’un mésoton. Si nous supposons arbitrairement
par
extrapolation,
que laproportion
desprotons
dans la totalité du groupe dur est la même que dans la zone où la discrimination estpossible,
nousobtenons donc une
proportion
totale deprotons
degrande
énergie
de l’ordre de2,5
à 3 pour 100. Cerésultat,
qui
est valable au moins pour unepartie
du
spectre,
est àrapprocher
de ceux obtenus par divers auteurs(~)
relativement à l’excès desparti-cules
positives
dans lerayonnement
cosmique.
Par
ailleurs,
ces résultatsindiquent
uneproportion
deprotons
trèssupérieure
à celle desprotons
primaires qui,
selon la théorie deHeitler,
Hamilton etPeng
(2),
sontcapables
d’atteindre les bassescouches de
l’atmosphère.
’Une confirmation
supplémentaire
de notre méthodenous a été donnée par l’examen de deux
trajectoires
obtenues au niveau de la mer avec une chambre de
Wilson contenant un écran de
plomb
horizontal :l’une
d’elles,
arrêtée par l’écran est reconnue comme unproton
par l’estimation de son ionisation et lamesure de sa
courbure;
ellepossède l’énergie
ciné-tique
de 5o MeV(~ oo H o = 3 0o MeV) qui,
effec-tivement,
ne luipermet
pas de traverser l’écran de 17 mm deplomb;
l’autre,
identifiée de même à unproton
(3oo Hp
=600 MeV)
perd
l’énergie
cinétique
de75 MeV
au passage del’écran,
cequi
correspond
bien à l’ionisation estimée.Quelques
auteurs(3)
ontobservé,
indépendamment
des constituants des
gerbes
explosives,
desparti-cules lourdes au sein des
gerbes
cascades.Chaque
fois que nous avons pu identifier une telleparticule,
nous avons trouvé pour elle une natureprotonique.
Onvoit,
eneffet,
sur lafigure
2 que, en dehorsdes groupes de
protons
degrande énergie,
d’autresprotons d’énergie plus
faible,
possédant
toutes les orientations et souvent situés au sein degerbes,
ont été observés : ils se situent à droite de la
ligne
pointillée
donnant la courbure desprotons
de75
cm, pour lestrajectoires
traversant toute lachambre,
(1) P. M. S. BLACKETT et R. B. BRODE, PI’OC. Rois. SOC.,1936, A, 154, p. 573. -P. 11Z. S. BLACKETT, PlOC. Rord. Soc., 1937, A, 159, p. I. - L. LEPRINCE-RINGUET et J.
CRUSSARD,
J. de Phys. et Rad., 8, p. 207. - Jones
HAYDN, Rea. of
Mod. Phys., 11, p. 235 et 314.- - L. LEPRINCE-RINGUET,
E. NAGEOTTE et I~Z. LHÉRITIER, C. R. Acad. Sc., Paris, Ig42, 214, p. 545.
(2) HEITLER, HAMILTON et PENG, Phys: Rev., 1943, 64,
p. 78.
(3) AUGER, EHRENFEST, MAZE, DAUDIN, ROBBY et FRÉON, Rev. o f Mod. Phys., 11, 3-4, p. 289. - J.
DANDIN, T hèse, Paris, I942.
ou de la
ligne
correspondant
auxprotons
de 3o cmpour les
trajectoires
ayant
unelongueur
de cet ordre. On voit que toutes lestrajectoires
situées à droite de cette valeur limite duproton
de 3o cmsont identifiables à des
protons,
sauf les suivantes : 8913 et 5862-9qui
sont nettement au delà de lacourbe du
proton
et 1612-9 et 0912-1qui
nepeuvent
être des
protons
vu leurtrop
faibleionisation;
nous reviendrons tout à l’heure sur cesparticules.
Trajectoires
situées au delà de celles desprotons.
- Deuxtrajectoires
neparaissent
paspouvoir
être assimilées à destrajectoires
deprotons :
ellesportent
lesnuméros
5862-9 et 8913. Lapremière
a été
prise
à Bellevue avec unchamp
de 11 83o gauss;elle traverse un écran
constitué
de 3 mm deplomb
et desparois
de deuxpetits
compteurs
de ferro-chrome. Son ionisation est très nettementsupé-rieure au minimum : un
proton
de même courburene donnerait que fois le
minimum,
cequi
est à coup sûr très inférieur à l’observation.L’autre cliché
correspond
à unetrajectoire
de~5 cm
delong,
très belle et très bienmesurée,
extrêmement ionisante etpossédant
de nombreuxpetits
rayons 6. Elle nepeut
être attribuable à unproton
dont l’ionisation serait auplus
6 fois le minimum. Il estpossible
que cettetrajectoire
soit celle d’uneparticule
oc.Trajectoires
de mésotons. - Si nous examinonsla
figure
3,
qui représente
celles destrajectoires
de lafigure 2 qui
ne sont pas identifiables à desprotons,
nous trouvons 5trajectoires
de faible rayon de courbure attribuables à des mésotons dont le moment réduit est inférieur à l’unité. Enparticulier
le 7537 et le 5362-8 sont mesurés avec une trèsgrande précision
et donnent des estimations de masse assez bonnes. On ne doit pas s’étonner detrouver peu de
trajectoires
attribuables auxmésotons : la très
grande majorité
des mésotons observés avec notredispositif
expérimental
possède
en effet des moments réduits très
supérieurs
àl’unité,
pourlesquels
aucune estimation nepeut
être faite. Comme la masse du mésoton est relati-vement
faible,
l’impulsion correspondant
à des mésotons de moment réduit P = o,5 est très faible :5o
MeV,
et se rencontre rarement sur les clichés.On sait d’autre
part
que laprobabilité
de rencontrerun mésoton de peu
d’énergie
est faible.Notons que l’un de ces mésotons a été observé au sein d’une
gerbe
d’électrons.Trajectoires
attribuables à desparticules
intermédiaires entre mésotons habituels etprotons.
--- En dehors de ces clichésremarquables
un
petit
nombre d’autresprésentent des. trajectoires
qui
ne semblentpouvoir
être identifiées ni avec destrajectoires portent
les numéros1612-9,
4793,
8291,
5318.La
première
sort d’un écran deplomb
de 3 mm, elle estlégèrement
continue avec toutefoisquelques
granulations.
Son ionisation nepeut
dépasser
5 fois le minimum. Or le mésoton 240 de même courbure donne une ionisation voisine du minimum et leproton
8 f oisplus.
Fi g. 3.
La seconde
(voir
Pl.)
est trèsionisante,
parfai-tement
continue,
sansgranulation.
Elle nepeut
être celle d’un
proton,
son rayon de courbure étant nettement inférieur à celui d’unproton
de 23 cmde
long, longueur
de latrajectoire
observée. Elle nepeut
être nonplus
celle d’un mésoton 240 dont l’ionisation ne serait que de2,5
fois le minimum. La troisième(voir PL)
est aussiparfaitement
continue,
et se situe au delà du mésoton 240 dontl’ionisation serait seulement
4
fois le minimum. Leproton
est aussi exclu à cause du faible rayonde courbure mesuré
(on
se trouve nettementau-dessous du rayon de courbure
correspondant
auproton
de 3ocm).
La
quatrième
seprésente
dans des conditionsanalogues :
parfaitement
continue,
elleimplique
une ionisation
supérieure
à4
fois leminimum,
qui
serait celle du mésoton de même
courbure;
leproton
est exclu pour la même raison queprécédemment.
En dehors de ces
quatre
rayons, le 0912-1 estaussi cohérent avec une
particule
intermédiaireentre le mésoton et le
proton,
mais il est moinsprobant
car il estlégèrement
vieux. Pourtant il al’avantage
d’être situé dans unerégion
deHp
trèsfavorable,
danslaquelle
un mésoton 240 donne une ionisation peusupérieure
auminimum,
et leproton
une ionisation de fin de parcours d’au moins20 fois ce minimum.
L’ensemble de ces
quatre
trajectoires
semble nepouvoir
s’interpréter
ni par desmésotons,
ni par desprotons;
uneparticule
intermédiaire entreproton
et mésoton
expliquerait
bienl’aspect
de cestrajec-toires. Ces résultats sont à
rapprocher
de celui obtenu par collisionpublié
par deux d’entre nous(4j;
uneparticule
dont leéjecte
un électron secondaire deeV;
le calculde la
collision,
supposée élastique,
donne pour leprimaire
une masse po ==ggo ± 12 pour 100
(limites
extrêmes de
l’erreur).
Nous adressons nos remerciements à M. A. Cotton et M.
Tsaï,
grâce auxquels
nous avons pu utiliser unchamp
magnétique
trèsétendu;
nous remercionsaussi les directeurs et
ingénieurs
de laCompagnie
Péchiney
qui
nous ont donné toutes facilités pour travailler dans l’usine deLargentière
en utilisant unegrande
quantité d’énergie.
Enfin nousattachons
beaucoup
deprix
au travailtoujours
consciencieux,
opiniâtre
etintelligent
de nos fidèlesaides
techriques
etcollaborateurs,
notamment MM.Boulanger,
Bonnain, Déré,
Reposeur,
Perdrau. (4 ) LEPRINCE-RINGUET et M. LHÉRITIER, C. R. Acad. Sc.,décembre 1944, 219, p. 618.
