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Sommaire

Résumé……………………………………………………………..3

Introduction………………………………………………………4

I. Genèse du projet………………………………………………4

II. Eléments théoriques…………………………………………5

III. Présentation de notre expérience …..………………7

IV. Analyse des données………………………………………..9

V. Interrogations …………………………………………………. 14

Conclusion…………………………………………………………18

Remerciements………………………………………………….19

Bibliographie……………………………………………………..20

Webographie……………………………………………………..20

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Résumé Notre projet traite des particules cosmiques et des moyens de les détecter dans notre

atmosphère. Pour les étudier, nous avons lancé un ballon gonflé à l'hélium sur lequel

nous avons accroché une nacelle, dans laquelle se trouvait un compteur Geiger. Les

données recueillies par cet appareil nous ont permi s de faire une comparaison avec

les résultats obtenus par Victor Hess . Il avait démontré expérimentalement que les

rayonnements qui ionisent l'atmosphère étaient d'origine cosmique, puisqu'ils

augmentaient avec l’altitude. Après cela, nous nous sommes penc hés plus en détails

sur les données recueillies aux altitudes que n’avait pas explorées Mr Hess, puisque

notre ballon est monté beaucoup plus haut que le sien (32km au lieu de 5km). Nous

avons comparé nos données à celles recueillies par de nombreuses expé ditions

scientifiques menées ces 50 dernières années, et avons tenté d'expliquer un

phénomène auquel nous ne nous attendions pas, c'est à dire que le nombre de

particules détecté chute au-delà d'une certaine altitude.

Mr Hess juste avant le début d’une de ses expériences

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Introduction

Les particules, vous connaissez ? Mais oui, vous savez, nous en sommes entourés, nous en sommes même constitués. Elles ne proviennent cependant pas toutes de notre planète, bien au contraire ! Une certaine quantité de ces particules (nous vous diron s lesquelles plus loin, soyez sans craintes) provient de l’espace. Leur existence a été découverte en 1912 par un physicien autrichien du nom de Victor Franz Hess. Ce sont ces travaux qui ont été le point de départ de la formidable aventure des « 32 kilomètres en Ballon », dont voici l’histoire !

I- Genèse du projet

Notre projet a commencé il y a plus d’un an, dans le cadre de nos TPE de 1ère S. Nous avions choisi de travailler en relation avec le projet européen Comenius, projet européen sur 2 ans en rapport avec le cœur de la matière et le cœur du vivant, en partenariat avec 4 lycées d’autres pays européens, dont le nôtre. Dans le cadre du projet, et en fonction de nos centres d’intérêts, il apparut intéressant de travailler en lien avec les particules élémentaires. Une matière définie, un sujet vaste, restait le problème de définir clairement le TPE que nous allions réaliser. Après avoir changé cinq, six fois de problématique nous en avons fixé une : "Dans quelle mesure pourrions-nous détecter les particules cosmiques dans la haute atmosphère ?". Il allait donc falloir envoyer un détecteur de particules suffisamment haut pour détecter nos fameuses particules. La solution la plus simple et réalisable que nous ayons trouvée était d’envoyer un compteur Geiger dans la stratosphère, soit à environ 30 km d’altitude (zone dans laquelle les particules en provenance de l’espace se collisionnent à cause de notre atmosphère, produisant ainsi un jet de particules détectables) ; le tout à l’aide d’un ballon sonde gonflé à l’hélium. Nous avons découvert que cette expérience avait déjà été faite en 1912 par le physicien Victor Franz Hess (avec les moyens de son époque bien sûr!), et nous nous sommes beaucoup inspirés de son expérience pour élaborer la nôtre. Nous avions l’expérience, il nous restait à trouver du matériel. Notre professeur référent, Mme Blanchard, nous a suggéré de contacter le Centre National d’Étude Spatiale (CNES). Nous avons téléphoné au Centre Spatial de Toulouse (CST), qui nous a ensuite réorienté sur Mr Nicolas Pillet, de la direction du département des ballons sondes du CNES. Celui-ci nous a expliqué qu’il ne gérait que les « gros » ballons sondes, destinés aux professionnels et aux scientifiques, mais il nous a indiqué le nom d’une association, Planète Sciences, qui organise des opérations auprès des jeunes et en partenariat avec le CNES.

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Après avoir appelé cette association, nous avons non seulement appris qu’ils avaient des programmes d’expérimentation pour les jeunes avec des ballons sondes stratosphériques, mais aussi qu’ils avaient organisé l’année passée un événement appelé « Ballons cosmiques » ayant pour but de reproduire l’expérience de Victor Franz Hess sur la radioactivité en altitude et les particules cosmiques. Planète Sciences (en partenariat avec le CNES) fut notre principal partenaire puisqu'il nous a fourni notre ballon et toute la chaîne de vol (réflecteur radar, parachute, ballon, corde, ...). Un volontaire de Planète Sciences nous a rendu visite le 9 Janvier 2014 pour nous aider. Ce dernier est venu nous apporter plus de précisions sur le lâcher du ballon, ainsi que sur la partie technique et la nacelle que nous devions construire avec tous ses composants. En parallèle de nos échanges avec Planète Sciences et de l’envoi d’un dossier de candidature pour l’obtention d’un ballon, nous avons contacté les lycées ayant participé à l’opération « Ballon Cosmique », par téléphone et par mail. Ces échanges furent, pour la plupart, brefs, car les lycées ne possédaient plus ni le matériel, qu’ils avaient dû rendre, ni les documents. Le seul qui nous fournit une aide significative fut le lycée Malherbe de Caen, plus particulièrement Mr Yoann Lallouet, professeur de physique et responsable du projet dans son lycée. Il nous fournit des documents, des explications et conseils, des plans et notices de câblage, les références des instruments de mesures ainsi que les données récupérées lors de leur expérience. Pour différentes raisons, nous n'avons pas pu lancer le ballon avant l'oral de TPE, mais le lâcher, en mars, nous a permis d'obtenir des résultats. Nous les avons présentés lors d'un voyage scientifique commun avec l’ensemble des membres de Comenius. Nous avons eu le privilège de pouvoir leur présenter les résultats de nos recherches dans le grand auditorium du CERN à Genève.

II- Eléments théoriques Maintenant, rentrons dans le vif du sujet ! Les particules cosmiques, ces bolides de l'espace venus de galaxies, lointaines, très lointaines, provoquent les gerbes cosmiques ou douches de particules, véritables accélérateurs d'une puissance incroyable, inatteignable à l'échelle humaine !

Pour commencer, quelles sont les particules que l'on retrouve dans les rayons cosmiques ?

Les rayons cosmiques sont composés de particules primaires, à l'origine de ce que l’on appelle les douches ou gerbes de particules, et des particules secondaires, résultant des collisions et désintégrations des particules primaires. Les primaires sont essentiellement des photons très énergétiques, des protons (85%), des particules alpha (12%), des électrons (2%) et des noyaux d'atomes lourds (1%). Lors des interactions de ces particules aves l’atmosphère, diverses autres particules sont créées. Leur nature dépend de l’énergie de la particule incidente. Par exemple, les protons très énergétiques produisent des pions et des kaons, qui se désintègrent eux-mêmes en neutrinos (quasiment indétectables mais bel et bien présents) et muons. Muons qui se désintègrent ensuite en électrons et neutrinos. Les photons se désintègrent en paires d'électrons-positrons, qui par freinage, émettent eux même d’autres photons, etc…

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Mais d'où viennent ces particules ?

Du soleil tout d'abord, les réactions de fusion du soleil projettent en permanence un flux de particules appelé "vent solaire". Ainsi la plus grande partie des particules venant du soleil sont des photons, des protons et des particules alpha ( 𝐻𝑒2

4 ). Mais, il existe d’autres sources potentielles comme les supernovæ, les nébuleuses ou les autres galaxies. Un problème cependant se pose car, en de très rares occasions, il a été observé des particules d’ultra haute énergie ne pouvant provenir des sources précédemment nommées. Ces particules sont déviées par les champs magnétiques présents dans les galaxies, on ne peut donc savoir d'où elles proviennent.

Comment les détecte-t-on ?

Les détecteurs de particules sont très divers, certains sont fabricables dans un lycée, d'autres font des kilomètres carrés de surface, certains sont même dans l'espace ! Dans la catégorie des détecteurs "accessibles" à tous il y a la chambre à brouillard, ou chambre de Wilson (du nom de son inventeur), réalisée en classe de seconde dans le cadre des MPS. Cette "chambre", remplie d'un brouillard d'alcool refroidi par de la glace carbonique, est utilisée pour détecter principalement les muons. Lorsqu'un muon traverse la chambre, l'alcool se condense, rendant visible la trajectoire de celui-ci. Ce dispositif permet également de percevoir la trajectoire d'autres particules, mais encore faut-il être capable de les identifier. Il y a aussi le compteur Geiger-Müller, dont le fonctionnement sera expliqué plus bas, car c’est celui que nous avons utilisé dans notre expérience. Dans la catégorie des expériences géantes figurent l'expérience AUGER-SUD, ce détecteur est composé de 1 600 cuves, chacune composée de 3 photomultiplicateurs encastrés dans un ballon gonflable rempli d'eau pure. Chaque cuve est espacée de 1500 mètres, le tout couvrant 3000 km2. C'est le plus grand détecteur du monde à ce jour ! Il existe également un détecteur installé dans une ancienne mine au Japon, le Super-Kamiokande, rempli de 50 000 tonnes d'eau pure et dont les parois sont recouvertes de photomultiplicateurs. Ces 2 détecteurs identifient les particules grâce à l'effet Tcherenkov (dont nous n'expliquerons pas le fonctionnement car n'ayant pas de rapport avec notre expérience). Enfin, il y a le détecteur AMS-02 qui est installé sur la station spatiale internationale (ISS). Ce détecteur de pointe mesure 64 m3 et pèse 8.5 tonnes ! Il effectue des mesures de précision sur les rayons cosmiques. Tous ces détecteurs ne sont bien sûr que des exemples parmi la multitude de détecteurs existants. Les rayons cosmiques ont-ils des effets sur Terre ?

Oui, il existe de nombreuses manifestations terrestres de l’existence des rayons cosmiques. Les aurores boréales sont les phénomènes les plus spectaculaires, mais il y a eu des cas où des rayonnements cosmiques de haute énergie ont fait sauter des lignes haute tension au Canada, plongeant plusieurs milliers de foyers dans le noir. Ils peuvent également perturber considérablement les ondes radio. Enfin, les rayons cosmiques ont des effets sur le vivant. Bien sûr, cela dépend de l'énergétique des particules, du taux reçu, de l'altitude et de la latitude où l'on se trouve. En effet, on est plus exposé au niveau des pôles et quand on monte en altitude. Ainsi, les astronautes sont très exposés aux rayons cosmiques, c’est entre autre pour cette raison que leurs missions sont limitées à quelques mois. Les risques peuvent être importants quand l'exposition est élevée. On risque une destruction et une dégénérescence des cellules exposées et à plus long terme des cancers et des leucémies ! Heureusement, nous, simples terriens, ne sommes exposés qu'à des doses très faibles.

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III- Présentation de notre expérience

La nacelle expérimentale de notre ballon contenait un compteur Geiger-Müller, Ce dispositif de mesure utilise un tube rempli d’un gaz noble (hélium, néon, argon etc…). Ce gaz est ionisé lors du passage d’une particule chargée ou d'un photon très énergétique. Cette ionisation permet le passage d’un bref courant électrique entre la paroi du tube (cathode) et un fil en métal conducteur situé au centre du tube (anode). Un voltmètre mesure ensuite la tension engendrée, qui est proportionnelle à la quantité de rayonnement ionisant. Il permet de détecter les particules, mais sans distinction possible. A cet appareil de mesure s’ajoute l’émetteur kiwi, qui nous envoie les données en temps réel mesurées par cet appareil, et un enregistreur de données, qui permet d’avoir les données en cas de problème avec l'émetteur. En supplément des appareils purement scientifiques, nous avons également embarqué une caméra GoPro à bord de notre nacelle, pour pouvoir filmer notre belle planète vue du ciel !

Schéma de fonctionnement d’un compteur Geiger-Muller (www.cea.fr)

Mais, la présence à bord d’appareils relativement coûteux et que l’on avait besoin de récupérer pour les exploiter nous a posé un nouveau problème : comment localiser la nacelle une fois celle-ci redescendue sur Terre ? Nous avons donc contacté le club de radioamateurs CERIA à Saint-Nazaire, spécialiste des transmissions radios. Ils ont été de précieux partenaires pour nous car ils nous ont fourni un logiciel de prévision permettant de prévoir où pourrait tomber notre nacelle selon les prévisions météo, le type de ballon et le poids de la nacelle. Ils nous ont aussi prêté une nacelle secondaire contenant un module GPS, un capteur de pression et un émetteur radio ce qui nous a permis de suivre notre nacelle et de la localiser, ainsi que d'enregistrer la pression et l'altitude en fonction du temps.

Notre nacelle était fin prête, nous avions le feu vert de Planète Sciences, une météo favorable… Le 21 mars 2014 serait le jour de notre lâcher ! Après une matinée de montage, d’étalonnage et de vérifications diverses, nous avons procédé au lâcher du ballon à 14h30, direction la stratosphère ! Après plus de 2 heures de vol et 200 km parcourus, durant lesquels nous avons suivi sa position en temps réel, avec l’aide des radioamateurs, nous avons récupéré la nacelle dans un champ non loin d’Angers, intacte ! La radio transmission des données avait échoué mais l’enregistreur de données et la GoPro conservaient la trace de ce vol qui a atteint le cœur de la stratosphère, soit environ 32km d’altitude ! Il ne restait plus qu’à exploiter les données recueillies…

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Préparation et lâché du ballon (crédits photos CERIA et Maxime Horlaville)

Trajet du ballon en visualisation 3D sur Google earth

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Heure

Correspondance avec Hess

IV- Analyse des données La récupération des données enregistrées pendant le vol nous donna des fichiers textes contenant plus de 10 000 lignes de valeurs chiffrées, pas ce qu’il y a de plus attrayant... Mais, après traitement et divers ajustements, nous avons pu construire différents graphiques le but étant, bien sûr, de les interpréter et les comparer avec les données recueillies par nos illustres prédécesseurs : Victor Hess, les élèves du Lycée Malherbe ainsi que de nombreux scientifiques de toutes les nationalités ayant réalisé le même type d’expérience que nous.

Ionisations détectées en fonction de l’heure (Guérande, mars 2014) Ci-dessus, notre tout premier graphique, avec l'ionisation mesurée sur 10 secondes, toutes les 10 secondes, pour une surface de capteur estimée à 6 cm², le tout en fonction de l’heure. On observe bien, comme Hess, une décroissance dans la première phase du vol. La courbe croit alors comme l'avait remarqué Hess. Elle continue de croître, passe par un maximum, décroit, avant de reprendre une phase croissante. Elle décroit alors très rapidement jusqu'à atteindre un minimum, inférieur à celui du départ. Y aurait-il un rayonnement tellurique plus important à Guérande qu'à Angers ? Autre fait singulier : on remarque 2 pics d'ionisation alors qu'on aurait pu s'attendre à n’en avoir qu'un seul, au maximum de l’altitude comme pouvait le laisser entendre les travaux de Hess… De plus, ces pics ne sont pas symétriques

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Pour répondre à ces interrogations nous avons construit le graphique ci-dessus. Sur celui-ci nous avons rajouté la courbe d’altitude en fonction de l’heure pour voir la relation entre l'ionisation et l'altitude. Cette dernière nous a été fournie par le capteur de pression embarqué dans la nacelle secondaire. Le pic d'altitude apparaît au milieu des 2 pics d'ionisation ce qui paraît surprenant ! L'ionisation n'augmenterait donc pas constamment avec l'altitude mais attendrait un plafond aux environs de 20 km d'altitude. Les 2 pics correspondant alors à un premier maximum détecté lors de la montée et un deuxième lors de la descente. Mais pourquoi un plafond d'ionisation vers 20 km d'altitude ? Quel est le phénomène qui intervient à cette altitude ? Pour tenter d’y répondre, nous avons trouvé ces modélisations des gerbes cosmiques dans une présentation de juillet 2007 à la journée du LUTh par M.Zech. On voit que pour les 3 types de particules simulées, l'expansion maximum de la gerbe se situe autour de 20 km d'altitude. On peut donc justifier nos 2 pics d'ionisation grâce à ces modélisations. En effet les pics d'ionisation correspondent avec les maxima des gerbes modélisées.

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Ionisations détectées et altitude en fonction de l’heure (Guérande, mars 2014)

Simulation de gerbes cosmiques par CORSIKA (pour un photon, un proton et un noyau de fer)

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Cependant cela suffit-il à affirmer que nos résultats sont significatifs ?

Non, même si ces explications semblent être cohérentes. Il nous fallait comparer et vérifier nos résultats avec d’autres dont nous étions certains de l’exactitude scientifique. Pour cela nous avons contacté M.Marek du Skalta Experiment, University of P.J.Šafárik, Košice, institut qu'avait visité un membre de notre groupe dans le cadre du projet Comenius. En réponse, M.Marek nous a envoyé une publication scientifique d'une académie russe basée à Moscou reprenant les résultats de 70 000 expériences similaires à la nôtre, réalisées en de multiples endroits du globe et sur les 50 dernières années. Pour pouvoir comparer leurs graphiques avec le nôtre nous avons dû en construire un autre. Cette fois nous avons l'altitude en fonction de l'ionisation. De plus, nous avons divisé l'ionisation par 60 car les graphiques avec lesquels nous allons comparer le nôtre sont en ionisation par cm² par seconde alors que nous, nous étions en ionisation par 6 cm² par 10 s (la surface de notre tube Geiger ayant été estimée par projection sur un plan). Nous avons fait cela car, bien entendu, nous n'allions pas nous satisfaire d'une simple comparaison de l'allure des courbes ! Nous voulions aller plus loin et faire une comparaison numérique des courbes. Il est à noter que cette courbe compile les données enregistrées en montée et en descente. D'autre part, nous avons cru, dans un premier temps, constater que la dispersion des mesures était plus importante à haute altitude. Mais en y regardant de plus près, la dispersion n’est pas plus importante en altitude qu’ailleurs : elle est de l’ordre de 0,7 ionisations/cm2/s à quasiment toutes les altitudes.

Ionisations détectées en fonction de l’altitude (Guérande, mars 2014)

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Détection d’ionisation

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Ce graphique nous montre l'ionisation par des particules chargées en ionisation/cm²/s. Les 4 courbes correspondent à 4 lancers de ballons le 12, 13, 14 avril 1993 à Moscou. Leurs allures sont très semblables à l'allure de notre courbe mais les valeurs sont légèrement différentes. Cependant, cette différence peut s'expliquer. Ces graphiques datent d'avril 1993. C'est un détail important car le soleil, sur des cycles de onze ans, entre en suractivité. Le graphique suivant montre l’évolution du nombre de taches solaires, indicateur de l’activité solaire, entre 1985 et 2014.

Ionisations détectées en fonction de l’altitude (Moscou, avril 1993)

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Nombre d’ionisation/cm²/s

Activité solaire en fonction du temps

David Hathaway, NASA/MSFC

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Y.I. Stozhkov, N.S. Svirzhevsky, and V.S. Makhmutov

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De façon assez singulière, les périodes de suractivité n'ont pas la même intensité mais nous n'allons pas chercher à l'expliquer ici, quoique ce fait singulier puisse nous permettre, peut-être, d'expliquer la différence d'ionisation entre nos données et les données des scientifiques russes. En effet, on le voit sur le graphique des cycles du soleil, la période de suractivité 24 est moindre par rapport à la 22. Or, les graphiques avec lesquels nous comparons nos données datent de 1993, en plein dans la période 22, et même si en 1993 la courbe d'activité du soleil est en train de décroitre, elle reste légèrement supérieure au moment de la courbe qui correspond à 2013. Encore un détail : les lâchers ont été effectués à Moscou. Cela a son importance quand on sait que les particules cosmiques pénètrent plus à ce niveau de la planète. La différence de latitude entre donc aussi en compte ! Il nous reste la comparaison de nos résultats avec ceux de Hess et du Lycée Malherbe. Malheureusement il est impossible de savoir si nos résultats numériques pourraient correspondre avec ceux de Hess. En effet, il n'avait pas de compteur Geiger il y a un siècle, mais un appareil, l'électromètre de Wulf, composé d’une chambre d’ionisation reliée à deux fils conducteurs, attachés en haut et en bas. Une fois les fils chargés, ils se repoussent mutuellement en se courbant vers l'extérieur. La tension appliquée aux fils peut être mesurée avec une très grande précision au milieu, où la distance entre les fils est la plus grande, à l'aide d'un microscope et un micromètre oculaire. De fait, nous ne savons pas si son ionisation est, ou pas, par seconde et par cm². Tout du moins, l'allure de la courbe est très similaire et seul cela peut nous permettre de dire que les résultats correspondent. Pour la courbe du Lycée Malherbe, c'est le même problème, nous n'avons pas la fréquence à laquelle est relevée l'ionisation ni sur quelle surface a été réalisé l’expérience. Nous ne pouvons que comparer l'allure de la courbe à la nôtre qui, en l'occurrence, est très similaire aussi.

Courbe de l’ionisation en fonction de l’altitude du lycée Malherbe

Courbe de l’ionisation en fonction de l’altitude de Viktor Hess

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Altitude en km

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V- Interrogations L’analyse de nos résultats a suscité en nous de nombreuses interrogations. Nous vous en présentons ici quelques-unes.

La représentation des gerbes de particules nous induisent-elles en erreur ?

Tout au long de notre dossier nous parlons de gerbes cosmiques, de rayons cosmiques, etc… On peut trouver de nombreuses modélisations et schémas, mais certaines de ces représentations nous ont, dans un premier temps, induits en erreur… Pourquoi ? Certains schémas montrent en effet une douche de forme pyramidale (ci-dessous), pouvant laisser penser que les douches cosmiques produisent plus de particules à basse altitude qu’à haute altitude. Or, d’après nos résultats, c’est l’inverse qui se produit, plus l’altitude augmente, plus le nombre de particules augmente, jusqu’à un plafond de 20 km. Nous avons conscience que ces représentations ne se focalisent que sur certains aspects des douches cosmiques, mais ces limites ne sont pas toujours mentionnées sur celles-ci. De plus, les représentations de gerbes cosmiques concernent essentiellement des particules de très haute énergie, qui sont en fait assez rares. Voici quelques exemples de représentations trouvées sur internet. Sur la représentation ci-contre, on retrouve la forme triangulaire dont nous avons parlé. Celle-ci a pour inconvénient majeur de ne pas spécifier d’échelle d’altitude, et donc peut laisser supposer que le bas de la figure est le niveau du sol. Cela semble donc en contradiction avec nos résultats (augmentation du nombre de particules détectées avec l’augmentation de l’altitude, jusqu’à 20 km). Un autre inconvénient, ce schéma représente une particule incidente arrivant perpendiculairement au sol, ce qui est rarement le cas.

La vue d’artiste ci-contre est assez esthétiques, mais ne pourrait correspondre qu’à des particules excessivement énergétiques, et donc excessivement rares. En effet, les douches les plus courantes ne se développent pas jusqu'au sol. Le point positif est qu'elle montre que les rayons cosmiques n'arrivent pas toujours perpendiculairement au sol.

L.Bert/Novapix.net

australianclimatmadness.com

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Cette représentation nous semble être la plus pertinente au vu de nos résultats car on peut bien percevoir le maximum de particules entre 15 km et 20 km ainsi que le détail des désintégrations et des créations de particules. De plus, elle nous donne des repères visuels (montagnes, avions etc…) et historiques, avec la représentation des grandes expériences sur les rayons cosmiques (Wulf, Hess…).

orbs1.com

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Les simulations restent bien sûr les plus justes en termes de représentation du développement spatial et de la densité de particules des gerbes. Ce sont elles qui nous ont permis de mieux comprendre ce phénomène et d’élaborer notre analyse. Seul point négatif sur cette simulation de CORSIKA, elle ne présente pas d’échelle d’altitude.

Pourquoi la plupart des rayons cosmiques n’atteignent-ils pas la surface du sol ? Différentes raisons empêchent les rayons cosmiques d’atteindre le sol. Les plus marquantes sont l'absorption, la désintégration et les collisions. Dans l’esprit du commun des mortels, ces termes ont des représentations mentales bien précises, mais qui ne sont parfois pas adaptées au merveilleux monde de la physique. Voici de quoi lever certaines ambiguïtés, avec la définition, au sens physique du terme, de chacun de ces trois phénomènes :

Les collisions :

Les particules composant les rayons cosmiques entrent en collision avec les noyaux de l’atmosphère, leur énergie est transformée en de nouvelles particules (E=mc²) qui subiront les phénomènes évoqués ci-dessous (absorption, désintégration).

La désintégration :

La désintégration est une réaction nucléaire aboutissant à la transformation d’une particule. C'est-à-dire, dans le cas d'une particule instable, que cette particule se transforme en d'autre particules plus petites et donc plus stables ou émet des particules pour se stabiliser (radioactivité). Par exemple, un pion neutre se transforme en deux photons.

Ast.leeds.ac .uk

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L'absorption : L'absorption en optique, ou en électromagnétisme, désigne un processus physique par lequel l'énergie électromagnétique est transformée en une autre forme d'énergie. Il convient donc de parler d'absorption uniquement en ce qui concerne les rayons électromagnétiques, c'est à dire en termes de particules, les photons. L'énergie d'un photon est prise par une autre particule, par exemple un atome. Cette énergie est utilisée pour permettre aux électrons de cet atome d'effectuer une transition entre 2 niveaux d'énergie, c'est à dire de s'élever sur une couche supérieure. Par désexcitation, un photon est émis pour permettre à l'électron de redescendre sur une couche d’énergie inférieure. Ainsi chaque partie de la gerbe est régie par un de ces mécanismes : La composante hadronique (particules non élémentaires : protons, neutrons...) se développe à partir de collisions successives. La composante muonique se développe par désintégration des pions en muons créés par collisions. La composante électromagnétique se compose d'électrons et de positrons émis par désintégration de photons, eux-mêmes émis par désintégration de pions ou par le freinage d'électrons qui en perdant de l'énergie émettent un photon. Ainsi ces photons peuvent être soit absorbés soit se désintégrer en une paire électron/positron. Ces trois phénomènes permettent d’expliquer pourquoi la plupart des rayons cosmiques n’atteignent pas la surface terrestre.

La découverte des rayons cosmiques, un heureux hasard ?

Comme nous l’avons dit plus haut, nous devons la découverte des rayons cosmiques à Victor Hess, qui fut le premier à détecter des particules ionisantes en altitude. Les moyens de son époque ne lui ont pas permis d’aller explorer le ciel au-delà de 5 km d’altitude. Nous nous sommes interrogés sur ce qu’il aurait pu penser s’il avait été en possession de nos données, à savoir l’évolution des particules ionisantes en fonction de l’altitude jusqu’à 32 km, avec un pic d’activité entre 15 km et 20 km. Il faut savoir que les connaissances en matière de particules dans les années 1900 étaient extrêmement limitées, Einstein venait tout juste de publier ses travaux. Une autre théorie que celle des rayons cosmiques existait à l’époque : selon certains scientifiques, dont l’inventeur de la chambre à brouillard, Wilson, des gaz « radioactifs » se concentreraient dans l’atmosphère, créant ainsi des « nuages radioactifs » à la concentration important. Ces concentrations pouvaient aussi s’expliquer pour la production de gaz ionisant lors d’un orage (foudre). Connaissant ces théories et s’apercevant qu’au-dessus de 20km la courbe des particules ionisantes est décroissante, nous pensons que cela aurait pu conduire Hess à valider la théorie du « nuage », écartant ainsi l’hypothèse que des particules ionisantes viendraient d’ailleurs, à savoir de l’espace. Cela aurait sans doute fait prendre un important retard aux études sur les rayons cosmiques, voir nous ne les aurions peut-être découvert que très récemment. De là à dire que la découverte des rayons cosmiques est un heureux hasard, il n’y a qu’un pas !

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Conclusion Sans toutefois trop nous avancer et affirmer nos résultats valides, nous pouvons tout de même conclure que l'expérience semble avoir abouti. En effet, les résultats, tant au niveau de l'allure des courbes que numériquement, sont confortés par ceux obtenus par de nombreuses équipes scientifiques. La différence (numérique) peut s'expliquer par les phénomènes évoqués précédemment. Ces résultats, qui nous ont tout d’abord surpris, nous ont obligé à faire des recherches approfondies sur le domaine des rayons cosmiques, nous permettant, d’une part de mieux comprendre ce phénomène, et d’autres part d’émettre des hypothèses pour expliquer ces résultats. Ainsi, d’un projet essentiellement expérimental, nous sommes passés à des études plus théoriques. Ces deux aspects ont été intéressants à plusieurs titres et nous ont permis de mettre un orteil dans le monde passionnant de la recherche.

Fin !...(?)

La Terre vue depuis notre ballon, dans la stratosphère, à 32 km d’altitude

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Remerciements

Ce projet n'aurait peut-être jamais vu le jour ou tout du moins jamais abouti sans certaines personnes, ainsi nous leurs dédions ce dossier et nous allons prendre ici le temps et la liberté de toutes les nommer et les remercier.

Tout d'abord un immense merci à Brigitte Blanchard, notre professeur référent durant les 2 ans qu'ont duré ce projet ! (et ce n’est pas rien de nous supporter pendant 2 ans !) D'une façon plus générale nous remercions le Lycée la Mennais et en particulier Mr Robin notre directeur et Mr Guillaume notre deuxième professeur référent. Merci à Olivier Lamerant, de l'association Planète Sciences sans qui le ballon ne se serait pas envolé ! Merci beaucoup au CERIA qui a suivi et retrouvé notre nacelle. Merci à Mr Batigne et à Mr Dallier, de l'in2p3, pour leurs conseils. Merci à Mr Marek du Skalta Experiment, University of P.J.Šafárik qui nous a envoyé de si précieux résultats ! Merci à Mr Lallouet du Lycée Malherbe pour ses résultats, ses documents, ses conseils techniques et son retour d’expérience sur un projet ballon. Et merci à vous qui avez pris le temps de lire ce dossier.

Eclatement du ballon à 32 km d’altitude

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Bibliographie

Dossier des scientifiques russes : COSMIC RAY MEASUREMENTS IN THE ATMOSPHERE Y.I. Stozhkov, N.S. Svirzhevsky, and V.S. Makhmutov Lebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

Conférence au CERN sur les particules élémentaires Conférence au CERN sur les rayons cosmiques par Corinne Bérat Conférence sur les rayons cosmiques à l'Observatory Stará Lesná – Solar Corona investigation of Physical processes. (Slovaquie) Dossier : Les gerbes atmosphériques dans l'astrophysique aux hautes énergies (A.Zech)

Webographie

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