Absorption et effets secondaires des rayons cosmiques

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Absorption et effets secondaires des rayons cosmiques

Pierre Auger, Albert Rosenberg

To cite this version:

ABSORPTION ET EFFETS SECONDAIRES DES

RAYONS

_COSMIQUES

Par PIERRE AUGER et ALBERT ROSENBERG.

Faculté des Sciences de Paris. Laboratoire de

_{Chimie-Physique.}

Sommaire. - L’étude des _{gerbes par la méthode de Rossi} sous des masses de charbon et de _plomb a

montré que le rayonnement responsable de ces _phénomènes est la _{composante primaire corpusculaire} peu

pénétrante. L’étade de l’absorption de cette composante et de la composante ultrapénétrante dans des écrans formés d’éléments de poids atomiques divers, a montré que si l’absorption des _corpuscules

ultra-pénétrant est massique, celle des corpuscules formant l’autre _{composante présente} une _grande variation

avec le numéro _atomique. Les éléments lourds, comme le plomb l’arrêtent après quelques centimètres, ce

qui est d’accord avec l’hypothèse que ces corpuscules sont les _responsables de la formation des _gerbes.

1. Introduction. - Rossi et

_Benedetti,

Johnson et récemment Pierre

_Auger

et L.

_{Leprince-Ringuet (’1)}

ont montré que l’intensité des rayons

cosmiques

corpuscu-laires mous

_augmente

avec l’altitude

_{beaucoup plus}

vite que celle des rayons durs.

Si l’on examine ce

_qui

se _passe avec les

_gerbes

-projection

simultanée d’éleclrons des dieux

_signes

dans la matière

_(de

numéro

_{atomique élevé),}

soumise au

rayonnement cosmique --

on lrouve _{que la variation}

des

_gerbes

avec l’altitude suit celle des ayons mous et

non _{celle des rayons durs. Il est donc difficile}

d’attri-buer les

_gerbes

à un effet secondaire des rayons

durs,

comme l’ont fait

_Rossi,

_puis

_{Gilbert 1’)}

_qui

ont lié la

production

des

_gerbes

_{par des}

_photons

intermédiaires

au

_rayonnement

_primaire

dur

_(~).

Pour éclaircir le

_problème

de la

_production

des

gerbes,

nous avons modifié le milieu dans

_lequel

prendraient

naissance des

_{photons qui}

_{représentent}

les intermédiaires non ionisants entre les rayons

corpuscu-laires solitaires et les

_gerbes.

Nous avons ensuite cherché à

_séparer

_les compo-santes dures et molles pour leur

absorption

dans des écrans de

_{poicls atomiques}

très différents.

2. Etude des

_gerbes.

- Les

gerbes peuvent

être étudiées dans la chambre de Wilson

_(~1)

ou bien par les

coïncidences de

_plusieurs

_compteurs

de

_{Geiger-Muller}

disposés

de telle sorte

_qu’il

faut au moins trois

parti-cules pour les déclancher simultanément.

(Montage

de

_Rossi,

_montage

en

_berceau).,

Nous avons travaillé

avec le

_montage

en

_berceau,

établi suivant le

_plan

de Gilbert

L’appareil

à coïncidences a été établi

_d’après

la des-(’) Rossi et BENEDEITI, Ricerca Scient. (’1934), 5. 1. 594.

T. H. Joaxsox.

_Phys.

(1934), 45, 56Q.

PIERRE AUGER et L. LEPRIBGE-RIBGUET. C. _R., 1934, 499, p ’135.

(2) Rossi, Z.

_l’hysih-,

(1933 , 82, 15i. C. W. GII,BBRT. Proc. _Roy.

Soc.~

_(19;i4), i44, 559.

Récemment (Congrus de Londres, octobre _i934), Rossi a

attribué les _gerbes aux effets d’un rayonnement différent du groupe ultra pénétrant, et plus absorbable.

(41 BLACKETT et OCCHI.BLIXI. Proc. _Roy, Soc. _(1933), 139, p. 699.

cription

de Rossi. Les

_impulsions

ont été

_{enregistrées}

automatiquement

par un

_compteur

_{téléphonique.}

Les

compteurs

de

_{Geiger-Muller employés}

ont une

_longueur

efficace de 17 cm et un diamètre de

_4,3

cm. Ils donnent environ 1~o chocs par minute. Le nombre de coïnci-dences fortuites est

_1,5

_par

_heure,

d’où un

_pouvoir

séparateur

de 1 0-4 sec. L’ensemble des

_{appareils etpiles}

de tension était

_placé

dans une cabane de bois

main-tenue à

_température

constante. Pour

_qu’aucun

obstacle

important

ne

s’interpose

sur le

_trajet

_{des rayons,} nous nous sommes inslallés au sommet de la tour

astrono-mique

du laboratoire de

_{Chimie-Physique,}

dont la

cou-pole

est en

_bois

₃

mm

_{d’épaisseur),}

recouverte unifor-mément de 2 mm de cuivre.

Fig. 1.

Si l’on

_place

au-dessus d’un berceau formé de trois:

compteurs

parallèles

et non dans un même

_plan,

des écrans de

_plomb

_{d’épaisseur}

_croissante,

on _{constate que}

le nombre des coïncidences

_(au

moins

_triples)

croît,.

passe par un

_maximum,

décroît ensuite assez

rapide-ment

_puis

de

_plus

en

_plus

lentement.

(Courbe

_d,.

Hg. ~).

O11 donnera

alors, d’après

Bhaba

_(1),

à

l’épaisseur-de

_plomb

_{correspondant}

au

_maximum,

le sens d’un, parcours des

corpuscules

de

gerbes

dans cette matière

et l’on verra dans la décroissance

_{rapide qui}

suit ce

maximum,

l’absorption

intense des rayons

producteurs.

de

_gerbes

dans le

_plomb.

La courbe a

_(fig.

₂₎

_qui

a été obtenue dans ces

con-(i) BRADA.

_Physik

Z.

_(1933,

_86, p. 120.

230

Fig. 2.

Coïncidences triples par heure en fonction de _{l’épaisseur} de l’écran de _plomb.

A l’air libre : 0 compteurs nus _{J un compteur protégé par}

1 cm de plomb.

Sous

le charbon : X compteurs nus. Ll un compteur protégé par 1 cm de _plomb. Sous le

char-bon+2cmPb : + compteurs nus. _(D un _{compteur protégé} par i cm de plomb.

ditions,

donne environ 17 mm de parcours pour les

gerbes

et

_0,2

cm-1 pour le coefficient

d’absorption

des rayons

producteurs

des

_gerbes

dans le

_plomb.

Pour modifier le milieu au-dessus de l’écran de

plomb

(dit

«

_gerbigène

_»),

nous avons

_placé

le

_dispositif

immédiatement

au-dessous d’une masse de 380

_kg

de charbon

_(briquettes)

de 60 cm

_{d’épaisseur}

et de 60 cm

sur 80 cm de surface. Les mesures ont été faites dans ces

,conditons

et à l’air

_libre,

et les résultats en sont

repré-sentés par les courbes de la

figure 2

(Courbes a

et

_b).

Toutes les mesures faites sous le charbon donnent les valeurs

_plus

élevées

_(excepté

le

_maximum).

Les

_points

sont les

_moyennes

_prises

sur les séries de mesures

croisées,

et les fluctuations

_{statistiques probables}

sont inférieures à une unité de l’échelle des ordonnées

(Tableau I).

Les différences des courbes a et b

_peuvent

s’inter-préter

en admettant que le charbon

produit

deux effets :

a)

Une

_production

_{de rayons secondaircs â}

_partir

des

corpuscules primaires

mous et

_{durs ;}

cet effet se

pro-duit

_également

dans

l’air,

mais à cause de la faible densité de

_{l’atmosphère}

_{les rayons secondaires}

suc-cessifs d’un même

_{corpuscule primaire}

sont très écar-tés les uns des autres, et _{donnent peu de coïncidences.} Cet _{effet de densité élève la valeur pour le zéro}

_(pas

de

plomb gerbigène)

et _{à peu}

_près

autant

_pour

tous les autres

_points

de la courbe. On

_peut

l’évaluer à 3

im-pulsions

par heure.

b)

Une

_absorption

des

_corpuscules

_primaires

respon-sables des

_gerbes.

Cela détermine un abaissement du maximum

_(obtenu

_{pour 17} mm de

_plomb

_gerbigène)

qui

n’est

_plus

_{que de 8}

_impulsions

au dessus du

zéro,

au lieu de 10 à l’air libre.

TABLEAU I.

Nous avons fait

_également

des

_expériences

en

rem-plaçant

le charbon par une couche d’aluminium de 30 cm. Les effets

_cc)

et

_b)

sont très

_{augmentés :}

Le zéro passe à 17

coïncidences,

le maximum

₍₁₈

mm _Pb

ger-bigène)

à

_18,

et avec 50 mm Pb il ne _{reste que 14}

coïn-cidences,

à cause de l’effet d’écran du

_plomb,

proba-blement.

Les rayons secondaires

produits

ainsi dans les élé-ments

_{légers paraissent plus pénétrants}

_{que les}

_gerbes

du

_plomb,

comme le montre

_{l’expérience}

suivante : en

isolant un des

_compteurs

_{(celui qui}

forme le fond du

berceau) (fig.

3),

par une

_enveloppe

de

_plomb

de 1 cm

Fig. 3.

d’épaisseur,

on obtient avec

_l’appareil

fonctionnant à l’air libre une forte réduction des coïncidences

_(pointsn).

Avec

_l’appareil

fonctionnant sous le

_charbon,

la réduc-tion obtenue est

_{plus petite}

_{(points à),}

à cause sans

doute d’un

_rayonnement

secondaire d’un

_pouvoir

péné-trant

_supérieur,

créé dans le charbon.

Enfin pour savoir si le rôle des rayons

producteurs

des

_gerbes

reste

grand

sous le

_charbon,

nous avons

couvert l’ensemble des

_appareils

d’une couverture de 2 cm de

_{plomb par-dessus}

l’écran de charbon

(fig. 4),

dans ces conditions la courbe obtenue

_{(courbe c)}

est de forme

_analogue

à celle obtenue sous le charbon sans

de 18. Dans le charbon sans couyerture le maximum de

_gerbes

ne

_change

_pas.

Fig 4

Ce

_qui

_{montre que les rayons}

_producteurs

des

_gerbes

une fois réduits de moitié ne se constituent _pas

_ensuite,

c’est-à-dire que les rayons producteurs des

_gerbes

ont un

caractère

_pririiai.re.

D’autre

_part

nous savons _{que le}

seul

_rayonnement

considéré

_{jusqu ici}

comme

_primaire

passe à travers

plusieurs

dizaines de centimètres de

plomb

sans _{être sensiblement réduit. Il faut donc}

sup-poser en dehors de ce

_rayonnement

_{corpusculaire}

dur

(D),

l’existence d’un autre

_{rayonnement corpusculaire}

mou

_(M)

_{peu diminué à la traversée de 60} cm de

char-bon,

fortement absorbé

_{par 2}

cm de

_plomb

_(1).

Les

expé-riences et les _{considérations décrites ci dessous} per-mettent de

_préciser

les

_{caractéristiques}

de ce

rayon-nement.

Nous avons fait deux mesures _{pour 21 et 53} mm

d’épaisseur

de

_plomb

sous la couverture due 2 cm de

plomb,

avec un

_compteur

_{isolé par 1} cm de

_{plomb ;}

pour toutes les deux mesures les nombres des coïnci-dences

_triples

_{par heure sont les}

mêmes,

en

_opposition

aux mesures de ce _{genre dans les conditions}

anté-rieures.

Les coïncidences

_{triples enregistrées}

dans ces condi-tions sont donc sans doute dues aux effets secondaires du groupe

primaire pénétrant (D).

3. Mesures

_{d’absorption. -}

Nous avons tenté de

séparer

les groupes M et D au niveau du

_sol,

en étudiant

l’absorption

des rayons

corpusculaires

par des écrans de différente deosité et formés d’éléments de différents numéros

_atomiques,

par

exemple

cuivre

_(p

=

8,93 ;

Z =29); plomb

(p

= il,34 ;

Z =

₈₂₎

ou fer

_(p

=

_{78 ;}

Z =

_~6);

mercure

_(p

=

_{13,5 ;}

Z =

_80),

_puisque

l’absorption

de D est

_massique,

donc semblable dans les

_quatre

matières et celle de M sélectivement forte dans les écrans formés d’éléments de

_{grand poids}

ato-mique.

Le

_dispositif

de trois

_compteurs

dans le

_plan

vertical

(fig. 5),

permettait

la filtration par 20 cm d’écran. Les (1) P. AUGER. C R. _(1936), 203, p. 13~. (Voir également l’article

précédent).

Fig 5.

courbes obtenues avec ces

_écrans,

et avec la même

dis-position géométrique,

sont

_{représentées}

dans la

_figure

6. On _{voit que le cuivre et le fer} commencent sur les deux

premiers

centimètres par absorber presque comme le

plomb

et le mercure. Ce fait est dû

_peut

être au _groupe

secondaire

_(S)

formé d’électrons de faible

_énergie

_qui

accompagnent

toujours

les groupes M et D Puis les courbes se

_séparent

et

_après

tO cm les

_pentes

sont à peu

près

les mêmes

(1).

TABLEAU II. - RésultaIs

obtenus par le

dispositif

de trois

_coïnpteurs

dans un

_plan

vprticlll.

Il y a donc

une’portion

de

_rayonnement

corpusculaire

232

ou de

fer,

et

_qui

_{l’est par 10 cm Pb.}

_{On peut}

s’en rendre

compte

facilement en

_{ajoutant, après}

10 cm de cuivre des

écrans de

_{plomb (l’ordre}

et la

_disposition

dans

_l’espace

n’importent

pas).

La courbe tombe alors

_brusquement

(courbe

en

_pointillé)

et

_rejoint

celle du

_plomb

seul. Nous pensons

qu’on

assiste là à

_{l’absorption}

sélective du groupe M par le

plomb, après qu’il

ait traversé

partiel-lement le cuivre. Le groupe D est

_toujours

soumis à

l’absorption massique.

Nous avons _{trouvé que l’ordre} et

_{ladisposition}

n’im-portent

pas, c’est-â-ciire que si on met d’abord le

_plomb

et

_après

le

_cuivre,

le résultat ne

_change

_pas. Ce fait nous

_permet

de faire

_quelques

_remarques sur les

courbes,

dites courbes de transition.

Dans ce cas

_(Schindler,

_Steinke,

_Johnson)

les

détec-teurs du

_rayonnement

ont été des chambres

d’ionisa-tion ;

les

_appareils

donnent des indications

_qui

dépen-dent du nombre de

_{corpuscules qui}

les

_traversent,

même

simultanément,

alors que dans notre

dispositif

les groupes de

corpuscules

simultanés ne donnent

qu’une impulsion.

On

_comprend

_{ainsi que}

_{l’adjonction}

d’écrans de

_{plomb après}

des absorbants

_légers

donne d’abord une croissance

_(production

de

_{gerbes), puis}

la décroissance

_{caractéristique}

du

rayonnement

M dans le

_plomb.

Si l’on

_pouvait

tenir un

_compte

exact des effets secondaires

_multiples,

_{les courbes données par} les deux méthodes devraient être semblables.