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Effet de gerbe dans la mesure absolue de l’intensité du
rayonnement cosmique
Georges Bonnevay
To cite this version:
EFFET DE GERBE DANS LA MESURE ABSOLUE DE
L’INTENSITÉ
DU RAYONNEMENT
COSMIQUE
Par GEORGES BONNEVAY.Laboratoire de
Physique Cosmique,
Observatoire de Meudon et Institutd’Astrophysique.
Sommaire. 2014 Une
mesure absolue de l’intensité verticale I0 du rayonnement cosmique a été effectuée
au moyen d’un télescope de compteurs Geiger-Müller. On s’est attaché tout particulièrement à la correction de gerbe, en caractérisant les gerbes par leur densité 0394 et leur fréquence k03B8 qui sont d’ailleurs fonction de l’appareil utilisé. 0394 et k03B8, déterminés expérimentalement au moyen de deux compteurs latéraux, permettent de calculer la correction cherchée que l’on trouve être égale à 6 pour 100 de I0.
On obtient alors
I0 = (1,20 = 0,04) 10-2
particules : cm2-s-stéradian, valeur correspondant à une pression de 76 cm Hg, le rayonnement étant filtré par 2,4 g : cm2 de laiton.LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM. TOME 13, FÉVRIER
1~~~~
PAGEIntroduction. - Les
premières
mesures absoluessur le
rayonnement
cosmique
ontporté
sur le nombrede
paires
d’ions que crée cerayonnement
par unitéde volume
[1].
Puis,
à l’aide detélescopes
decompteurs
Geiger-Mûller,
on effectua des mesuresrelatives de l’intensité
Io
du flux departicules
ionisantes venant d’une direction 0’[2].
Pour endéduire des valeurs absolues de
Io,
on se heurtait à deux difficultésprincipales :
d’unepart,
l’indéter-mination de larégion
efficace descompteurs
utilisés;
d’autrepart,
l’effet desgerbes :
soit que celles-cidéclenchent latéralement le
télescope,
soit,
aucontraire,
queplusieurs particules
simultanées soientcomptées
pour une seule. Lapremière
difficulté aété très
soigneusement
discutée par différents auteurs[3], [4], [5], [6],
[7].
Ceux-ci ontégalement
tenté d’éliminer l’effet des
gerbes
par diversdispo-sitifs,
mais ils n’ont pu discutercomplètement
ceteffet,
car les connaissances sur lesgerbes
et sur leur distribution n’étaient pas alors suffisammentdéve-loppées.
Nous nous . sommes
proposés
dereprendre
lamesure absolue de l’intensité verticale
I,
durayon-nement
cosmique,
à l’aide d’untélescope
decompteurs
Geiger-Müller,
et de chercher à évaluerla correction due à l’efiet des
gerbes,
en donnant decelles-ci une
description simplifiée qui
concorde,
néanmoins,
avec nos connaissances actuelles. Onpeut,
en effet. caractériser lesgerbes
par deuxcoeffi-cients,
une densité à et unefréquence
ko,
qui
n’onc d’ailleurs pas designification intrinsèque, puisqu’elles
dépendent
dudispositif
utilisé. Déterminésexpéri-mentalement pour notre
dispositif,
ces coefficientspermettent
de calculer la correction cherchéequi
s’avèrepetite,
6 pour 100 de1,, supérieure,
cepen-dant,
à l’erreur accidentelle : 3 pour ioo.1.
Principe
de la mesure. -Définitions
ethypothèses.
- L’intensité10
se définit comme lenombre de
particules
ionisantes,
par unité detemps
et par unité
d’angle
solide,
qui
traversent une unitéde surface
placée
normalement à la direction d’inci-dence moyenne 0.Un
premier problème
est decalculer,
connais-sant
Io,
le nombred’impulsions enregistrées
par unsystème
décompteurs
Geiger-Müller
en coïncidenceet anticoïncidence. Considérons donc n
compteurs
que nous supposerons d’efficacité
parfaite
et pourvusde
parois
nonabsorbantes;
nous noterons par51~.._,2(0)
l’aire commune aux contoursapparents,
1
52 (0),
... , 1S,z {o),
de cescompteurs,
relati-vement à une direction
0;
par l’aire du contourapparent
global
des ncompteurs,
etc.i).
Ces
grandeurs
sont liées par des relationsdutype :
où
i,
j,
k,
... varient de i à n en restanttoujours
différents les uns des autres sous un même 1. Si le
rayonnement
cosmique
étaituniquement
constitué departicules
isolées,
c’est-à-dire sepropa-geant
indépendamment
les unes des autres, la fré-quence dN descoïncidences,
relatives à unedirec-tion
0,
enregistrées
par unsystème
de ncompteurs,
serait donnée par
où est l’élément
d’angle
solide à l’intérieurduquel
sont les directions
incidentes,
0 étant la direction moyenne d’incidence.Mais,
enréalité,
certainesparticules
sontaccom-pagnées
simultanément d’autresparticules
et formentainsi des
gerbes,
de sorte que19
se compose de lasomme de deux termes
If, =
io + go, oùio
estl’intensité des
particules
isolées et g~ l’intensité des69
particules accompagnées. (2)
doit alors êtrerem-placée
parL’évaluation de
dN g
nepeut
se fairequ’en
donnantune
description,
au moinsschématique,
desgerbes.
Comme le montre le résultat
final,
le termecor-rectif
N,
restepetit
devantN;
aussi pourrons-nousnous contenter des
hypothèses simplificatrices
sui-vantes :
’
1° Toute
gerbe
est considérée comme unepluie
de
particules
simultanées dont lestrajectoires
sontquasi
parallèles,
car lesorigines
de cesgerbes
sesituent, en moyenne, à des distances de
l’appareil
grandes
parrapport à
ses dimensions.Fig. i. -- Schéma représentant les surfaces et
5,~..,.
Sl et S2, contours apparents des compteurs (1) et (2); S12’ partie commune à S1 et à S,; S12, contour apparentglobal. La figure met en évidence la relation
dont la formule (1) du texte est une simple généralisation.
2° La densité 8 des traces de ces
trajectoires
sur unplan
normal à leur direction estsupposée
uniforme,
c’est-à-dire que la
probabilité
pourqu’au
moins uneparticule
de lagerbe
rencontre une surface S duplan
considéré suit la loi de Poisson
(1-
Cette
hypothèse
n’est pasrigoureusement
exacte,comme le montre la courbe de décohérence
[8J,
maiselle reste,
néanmoins,
valable pour des surfacespetites
devant
30 à
varie,
enréalité,
d’unegerbe
à l’autre etla
fréquence
desgerbes
de densitécomprise
entre 0 et a + dô est fonction de 6. Nousadmettrons que l’on
peut remplacer
toutes cesden-sités par une
seule,
0,
de sortequ’on
aurako
étant lafréquence
par unitéd’angle
solide desgerbes
de direction 0. Nous reviendrons sur cettehypothèse.
On obtient ainsi
Calcul de N. - Considérons d’abord le cas de
deux
compteurs
(1)
et(2).
Laprobabilité
pourqu’un
dispositif
sélectionnant les coïncidences(12)
soitdéclenché par une
gerbe,
venant de la direction0,
est
égale
à laprobabilité
P12
pour queSI (0)
etS2 (0)
soienttouchées, chacune,
par au moins uneparticule
de lagerbe.
On obtientP12
enajoutant
lesprobabilités
pour queSI (0)
soit touchée et pour queS2(o)
soittouchée,
et en retranchant laproba-bilité pour
que S1(0)
ouS2 (o)
soittouchée :
d’où l’on déduit ’
La formule
(7)
segénéralise
immédiatement au casde n
compteurs
en coïncidence. Si lesystème
com-prend,
enoutre,
descompteurs
de surfaceglo-bale v en
anticoïncidence,
nous avons, enappe-lant
Sl,
Sij,
..., les surfacesprécédentes
diminuées,
cettefois,
de leursparties
communes éventuelles avec ü,Pour des surfaces suffisamment
petites,
nous pouvonsfaire un
développement
en séried’où,
d’après
(3)
et en utilisant(5),
70
et
ko
nedépendent
que del’angle
auzénith,
repré-senté désormais par
0,
suivant les lois " .On sait que ni est très voisin de ’2; al1 contraire,
n est très mal défini et
peut,
d’après
J. Daudin[9J,
atteindre 8 pour des densités dequelques
centaines departicules
par mètre carré. Nous avonsadopté
n = 6, mais nous verrolïs
que cet
exposant
influe peusur le terme correctif
Ng,
car notredispositif
n’estpratiquement
sensiblequ’aux
gerbes quasi
verticales(cf .
remarquefinale).
On obtient finalement
Grâce à deux
systèmes
decompteurs
telsque, pour
l’un,
et que, pourl’autre,
B‘;;’ =
B~?’ = o,
on déduira de la mesure desfréquences
et
N’’~ = k~ ~.~B,~’-’ fi ..
lesvaleurs
de ko
et A.Or,
l’étude desgerbes
f10], [11], [12]
a montréque
A,
ainsi déterminé(3e hypothèse),
n’avait pas designification intrinsèque
etdépendait
des surfaces intervenant dans les coefficients Bprécédents :
tout se passe comme si descompteurs
de surface donnée n’étaient sensiblesqu’aux
gerbes
d’unecer-taine densité
dépendant
de cette surface.Nous
prendrons
donc deuxsystèmes
tels que,pour
chaque
direction,
les surfacesapparentes,
inter-venant dans 1
et soient du même ordre de
grandeur
que cellesqui
interviennent dansB2.
Lescoefficients
ko
età,
ainsidéterminés,
seront donc relatifs à unappareil
donné et nepermettront
defaire la correction cherchée que pour cet
appareil.
Finalement,
ayant
mesuréN,
ko
etA,
on tire10
de
(9)
7V
N
représente
le termeprincipal qu’on
obtiendraitB0
seul, si toutes les
particules
étaientisolées,
et la suite dudéveloppement,
ko
2B2 -
ko
3B3
+ ... ,suite du
développement,
o
2013 k0A3 B3
u -t- ..., constitue la correction degerbe
cherchée.2. Conditions
expérimentales.
- Nous avonsutilisé un ensemble de
compteurs
de laitonayant
uneépaisseur
deparoi
de I mm. Ladisposition
descompteurs
estindiquée
par lafigure
2.Grâce à un circuit à
groupe-maître
[13],
onenre-gistre
simultanément sur un ruban d’aluminium sedéroulant à vitesse constante, les coïncidences
L’n tel
système
permet,
en outre,d’obtenir,
àpartir
delà,
toutes les combinaisons de coïncidences etd’anticoïncidences,
telles que(M 34), (M -- A),
...(1).
Le
télescope
est constitué par lescompteurs
(1)
et(2)
en coïncidence et par les huitcompteurs
(’~’)
en anticoïncidence dont le but est de définir exacte-ment la
région
d’efficacité descompteurs
(1)
et(2).
Lescompteurs
(3)
et(4)
sont destinés à la mesurede
ko
et de ~.Enfin,
lescompteurs
(A),
en rendantpossible
la mesure des coïncidences(MA),
permettent,
Fig. 2. -
Dispositif expérimental.
On mesure les coïncidences
(l%1) = (12 --
T), (MA), (M 3) et (M 34).
d’une
part,
d’éliminer les coïncidencesfortuites;
d’autre
part,
de ne faireintervenir,
pratiquement,
que des
gerbes
peu inclinées sur la verticale. Eneffet,
pour desgerbes
plus
inclinées,
troisparti-cules au moins sont nécessaires pour le déclenche-ment simultané de
(1), (2)
et(A),
phénomène
beau-coupplus
rare que le même déclenchement par deuxparticules
seulement.L’appareil
est installé à l’Institutd’Astrophy-sique,
à Paris(altitude, ~3, 5 m),
sous unecoupole
ad’acier de 2 mm
d’épaisseur. Quelques mesures,
effectuées à l’air
libre,
ont donné des valeurssensi-blement
égales
à celles obtenues sous lacoupole.
Onpeut
admettre que celle-ci n’introduit pasd’erreur
appréciable
dans la détermination de la valeur absolue de l’intensité cherchée.3. Iilteeures effectuées. - On s’est d’abord assuré
que le
système
des anticoïncidences(T)
était efficaces,malgré
lacapacité importante
introduite en mettant(1) (M 3) = (i - -
T) (3), par exemple, veut dire : coïnci-dence entre (1), (2) et (3) et anticoïncidence avec (T), sans
71
ces huit
compteurs
enparallèle :
divisant cet ensemblede
compteurs
en trois groupes, on a mesur é les coïncidencestriples
entre chacun de ces groupes et lescompteurs
(1)
et(2);
puis,
ensoustrayant
lasomme des
fréquences
de ces trois coïncidencesde on a bien retrouvé aux erreurs
statis-tiques près.
Il
s’agit
maintenant de mesurer lescoïnci-dences
(MA).
Or,
laprésence
descompteurs
(A)
introduit deux
épaisseurs
deparois
absorbantessupplémentaires.
Pour éliminer leur effet, on effectueune
première
mesure deN»,
lescompteurs
(A)
étant
retirés;
puis
une seconde mesure, lescomp-teurs
(A)
étant remis enplace,
d’oùN’M, et
les lettres accentuées
désignant
lesfréquences
corres-pondantes (1).
On
peut
en déduire lafréquence
Ni,
qu’on
TABLEAU I.
’
Variation dp NM en
fonction
de litpression.
Le tableau I
indique
les valeurs de N,i enfonction de la
pression
atmosphérique.
Onpeut
en déduire un coefficient
barométrique
d’accrois-sement pour le
rayonnement
totalégal
à -o,33
-~- o,o5 pour ioo: cmHg,
en bon accord avecStevenson et Johnson
[14]
dont on a utilisé les résul-tatsplus précis,
soit- 0,36
pour 100cm Hg.
TABLEAU Il.
Fréquences
76o mm Hg(Unité de temps : l’heure).
Dans le tableau II sont
groupées
lesfréquences
qu’on
amesurées,
ramenées à76 cm Hg
au moyende ce coefficient et du coefficient
analogue
relatifaux
gerbes,
donné par les mêmes auteurs et parM.
Cosyns
[15~,
soit- 0,5 ~
pour100 : cm Hg
(2).
(1) On n’a pas à craindre que l’inefficacité des compteurs (A)augmente artificiellement car la fréquence des décharges de ces compteurs est beaucoup trop faible ( ~,3 par seconde;
temps mort : ~ I o s, donc inefilcacité ~ 10 -4).
(2) On sait, d’après des résultats récents de Duperier [16], que l’intensité I dépend non seulement de la pression
atmo-spérique P, mais aussi de la hauteur H de la couche généra-trice des mésons (où la pression régnante est
et de la température moyenne T de la région située entre cette couche et la couche où la pression régnante est de 200 mb. De sorte que - ~ - - , - ~- -
N’étant pas en mesure de connaître les variations 8T et GH,
nous avons dû nous contenter de la formule à I = [3 8 P, en
prenant g indépendant des conditions atmosphériques.
En fait, les valeurs moyennes de ~3, prises sur de courts
inter-obtiendrait si les
compteurs
(A)
avaient desparois
d’épaisseur négligeable.
En
effet,
d’unepart,
on a8Ty,1
= ~-[fréquences
obtenues avec desparois
non absor-bantes pour les(A)];
d’autrereprésente
lafréquence
desparticules
simultanéesqui
touchent(1)
et
(2)
sans déclencher(A),
c’est-à-dire,
en bonneapproximation,
sans traverserl’espace
occupé
par(A);
cettefréquence
est doncindépendante
del’absorption
desparois
descompteurs
(A)
etd’où
Enfin,
dans lapremière
mesure, onenregistre
simultanément
lesfréquences
NM3, Nm
etN,1,~,.
D’où,
grâce
à(11),
jV~A = i63~8 ± 0,6~ impulsions :
h.Nous avons maintenant
I,,
grâce
à(10),
en yremplaçant
N parNMA;
deplus,
dans les formules(9)
donnant les coefficientsB,
les indicesi,
j,
k,
...prennent
les valeurs1, 2,
A. Reste à calculerBo,
B~,
B:;,
... et à déterminerko
et A.4. Calcul des coefficients B. ---- a. Calcul de
Bo.
- Comme ledispositif comprend
deuxcompteurs
(1),
soit
(1’)
et( 1 "),
et deuxcompteurs
(2),
soit(2’)
et(2"),
on commence pardécomposer
letélescope
en
quatre télescopes
partiels : (1’2’),
(l’ 2 "), ( 1 "2’)
et
(1"2").
Puis,
pour chacund’eux,
on schématiseles
compteurs
(1)
et(2)
par deuxrectangles
hori-zontauxayant
pourlargeur
le diamètre interne ade ces
compteurs
et pourlongueur
la distance b entre les deuxcompteurs
(T)
lesplus proches.
Demême,
on schématise ces derniers par des
rectangles
dont lespetits
côtés,
delongueur
c, sont verticauxa).
La
longueur
c et laposition
des deuxrectangles
horizontaux
(1)
et(2),
distants deD,
peuvent
êtrechoisies de
plusieurs
façons.
Onpeut
d’abord(fig.
3b)
prendre
pourgrands
côtés desrectangles (1)
et(2)
les droites d’intersection desplans tangents
inté-rieurs communs aux deux
cylindres (1)
et(2)
et desplans
tangents
extérieurs communs aux mêmes valles de temps, de l’ordre de la semaine, fluctuent de manièreimportante. Cependant, sur des périodes de quelques mois - c’est ici le cas : décembre
janvier, février ig5i -,
la valeur moyenne de ~ peut être conssidérée comme étant sensiblement indépendante des conditions atmosphériques.
On admettra donc que l’erreur introduite en prenant B
cylindres;
onprend
pour c, dans ce cas, la distancede l’un des
rectangles à
l’axe ducompteur
(T)
leplus proche.
On obtient alors une surestimation deBo-On
peut,
aucontraire,
choisir pourplans
desrectangles (1)
et(2)
lesplans
diamétrauxhorizon-taux des
cylindres (1)
et(2),
et pour c lalongueur
Fig. 3 a.
On remplace les compteurs (1) et (2) par les deux rectangles
horizontaux et les compteurs (T) par les quatre rectangles
hachurés verticaux.
Fig. 3 b. - Choix de
c et de D _ conduisant à une surestimation de B,.
On voit que, dans ce cas, toute particule qui déclenche le
groupe maître (M) = (12 - T) traverse les deux rectangles horizontaux sans traverser les quatre rectangles verticaux
(dont un seul est figuré ici), mais non réciproquement.
indiquée
sur lafigure
3 c. Ce choix conduit à unesous-estimation de
Ba.
La moyenne de ces deux valeurs donne
Ba
avec une erreur inférieure à o,6 pour i oo. On trouveàinsi,
en tenant
compte
des erreurs commises sur leslongueurs a,
b,
c, D :b. Calcul de
B2 ef
de B:,. - En utilisant lesrela-tions du
type
(1)
et enposant
S~ _ ,5"z = S.~ = S
dans
l’expression
deB~
donnée par(9),
on obtieniAfin de calculer chacune de ces
intégrales,
onrem-place,
comme dans le calcul deBo, chaque
compteur
par un
rectangle approprié.
On trouve ainsiQuant
àB:3,
il est inf érieur àCOS6 0 io5 cm6-stéradian.
Fig. 3 c. - Choix de
c et de D conduisant à une sous-estimation de B,.
Dans ce cas, toute particule qui traverse les rectangles
horizontaux, sans traverser les quatre rectangles verticaux
(dont deux seulement sont ici représentés), déclenche une
coïncidence (M), mais non réciproquement.
5. Corrections. -
a. Correction de
gerbe.
- Onpeut
arrêter ledéveloppement
del G
au secondterme, ko A2
car, comme nous allons levoir,
leB0
terme suivant est
déjà négligeable.
Nous allons déterminerko
A2 et à àpartir
des coïncidences(M 3)
et
(M 34).
Appliquons,
eneffet,
les formules(9),
en tenantcompte,
cettefois,
du fait que73
Un calcul
analogue
à ceuxqui
ontdonné
Bo
etB
permet
de trouverUne estimation de A est donnée par
On voit alors que
ko
est inférieur à 0,9 par heure et nouspou-vons ne conserver que le terme
précédent.
b. Coïncidences
fortuites.
- Si : est letemps
de résolution du circuit de coïncidence(ici ~ ^~
Io-s),
lafréquence
des coïncidences fortuites est donnée parOn trouve que
f
est certainement inférieur à o,1 i par heureet,
parconséquent,
tout à faitnégligeable.
6. Résultat. --
Après
toutes
cescorrections,
ontrouve
Io =
(1,20
particules :
cm’-s-stéradian.Cette valeur
correspond
à unepression due 76
cm
Hg,
le
rayonnement
étant filtré par2,4
g : cm2 de laiton. Nous avons résumé dans le tableau III les valeurs de7o
obtenues par différents auteurs, au niveau dela mer.
En
adoptant,
dans les calculsprécédents,
la loiko
=ko
cos" 0 avec n == 8 au lieu de 6, on trouveko
1l2B2
= 8,6 au lieu de9,9; la variation de
10
qui
en résulte est de o,8 pour 100. Ainsi lesprin-cipales
causes d’erreurs sont-elles les fluctuationsstatistiques
et l’incertitude sur le coefficientB 0
(au
total environ 2 pour100).
Onpeut
doncespérer
qu’il
seraitpossible
d’améliorer laprécision,
parexemple
enprenant
undispositif
de dimensionsplus
grandes.
Si l’on conserve les dimensions relatives-dudispositif,
la correction degerbe
ko
A2B2
resterao
probablement
du même ordre degrandeur,
car Avarie sensiblement en raison inverse des aires des
surfaces sensibles
[11].
Cette méthode devrait donc conduire à des mesures deI,
avec uneprécision
de l’ordre de i pour 100.~
TABLEAU 111.
Valeurs de 10 obtenues par
différents
auteurset
correspondant
Ù linepression
£le 76 cmHg.
Ce travail a été effectué sous la direction de
M.
Rogozinski.
Qu’il
veuille bien trouver icil’expres-sion de ma
gratitude
pour tous les conseilsprécieux
qu’il
m’aprodigués.
Je tienségalement
à remercierM.
Dauvillier,
directeur dulaboratoire,
pour l’intérêtqu’il
a bien vouluporter
auprésent
Mémoire.(1) Cités par Johnson.
Manuscrit reçu le 22 octobre r g5 r.
BIBLIOGRAPHIE.
[1] MILLIKAN R. A. 2014 Phys. Rev., 1932, 39, 397.
[2] JOHNSON T. H. 2014 Phys. Rev., 1933, 43, 307. Voir aussi, pour toute la bibliographie sur l’intensité du
rayon-nement cosmique (jusqu’à 1938) l’exposé d’ensemble du même auteur : Rev. Mod. Phys., 1938, 10, 194.
[3] STREET J. C. et WOODWARD R. H. 2014 Phys. Rev., 1934, 46, 1029. [4] GREISEN K. 2014 Phys. Rev., 1942, 61, 212; 1943, 63, 323; GREISEN K. et NERESON N. G. - Phys. Rev., 1942, 62, 316. Voir aussi l’exposé d’ensemble de ROSSI B.
et GREISEN K. - Rev. Mod.
Phys., 1948, 20, 537. [5] ROGOZINSKI A. et VOISIN A. 2014 C. R. Acad. Sc., 1947,
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[6] ROGOZINSKI A. et LESAGE M. 2014 C. R. Acad. Sc., 1948, 226, 1131.
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sortis de l’École Polytech. de Bruxelles, Bruxelles,
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