100 ans de rayons cosmiques de Chamonix à la Station Spatiale Internationale. Maurice Bourquin Université de Genève

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1 100 ans de rayons cosmiques de Chamonix à la Station Spatiale Internationale Maurice Bourquin Université de Genève Chamonix, 23 juillet 2012

2 Entre Lumières et romantisme Au 18 e s, les Alpes de Savoie deviennent un terrain d investigations pour les sciences de la Terre, la physique de l atmosphère, la météorologie, la chimie En 1760 le Genevois Horace-Bénédict de Saussure, qui avait observé le Mont Blanc depuis le Brévent, offrit un prix à la première personne qui atteindrait le sommet. Ce ne fut pas avant le 8 août 1786 (26 ans après) que le Dr. Michel Paccard et Jacques Balmat, deux habitants de la vallée, l atteignirent. De Saussure lui-même y arriva l année suivante, conduisant la première de nombreuses expéditions scientifiques au sommet. 2

3 Les sciences de terrain Entre 1863 et 1865 plus de 100 autres sommets furent atteints, surtout par des alpinistes britanniques, mais les montagnes des environs continuèrent à fasciner les scientifiques. On s aperçois que seules des observations continues, sur plusieurs mois, et même sur plusieurs années, peuvent faire progresser des domaines scientifiques complexes, inventaire des espèces, géographie physique, étude de l atmosphère 3

4 Des observatoires au Mont Blanc En 1890 Joseph Vallot (météorologiste, glaciologue, physicien, photographe, cartographe, mais pas astronome) a reçu l autorisation de construire un observatoire à 4350 m, près du sommet du Mont Blanc, à la condition qu il puisse aussi servir de refuge aux alpinistes. Ainsi deux chambres séparées furent construites (1890). Deux pièces ensuite agrandies à 6. 4

5 Des observatoires au Mont Blanc Un deuxième observatoire fut construit ensuite au sommet même du Mont Blanc à 4810m, le plus haut du monde, par Jules Janssen (astronome et académicien, ) en Sa mission fut l astronomie physique, un passage de l astronomie décrivant le mouvement des astres à l étude des objets célestes à partir des lois de la physique et de la chimie. 5

6 Des observatoires au Mont Blanc Il dura une quinzaine d année. Bénéficia d une atmosphère réduite (la pression au Mont Blanc est 2 fois moins grande qu au bord de la mer) et d une pureté augmentée. Mais fut englouti par une crevasse en Ce fut une fabuleuse aventure scientifiques et humaine dans laquelle de nombreux savants et guides de la Vallée de Chamonix se sont illustrés. L'épopée des observatoires Janssen au sommet du Mont- Blanc, et Vallot à 4350 m, est délicieusement décrite par le même Jean-Marie Malherbe qui a aussi décrit l'histoire du Laboratoire (Refuge) des Cosmiques. 6

7 La radioactivité Parallèlement, en 1896, Henri Becquerel a découvert la radioactivité naturelle. Quelques années plus tard, Marie et Pierre Curie ont découvert que les éléments polonium et radium subissaient une transmutation générant de la radioactivité. En présence de matériaux radioactifs, les électroscopes chargés se déchargent. On en a conclut que certains éléments émettaient des particules chargées, qui a leur tour causent la décharge des électroscopes. 7

8 Terrestre ou extraterrestre? Vers 1900, la technique des électroscopes a été bien améliorée et on a conclut que la décharge spontanée d électroscopes était due à des agents ionisants provenant de l extérieur des récipients. Et la question était de savoir quelle était la nature de cette radiation et sa provenance terrestre (matériaux radioactifs dans la croûte terrestre) ou extraterrestre. Electroscope de Wulf 8

9 Radioactivité en altitude? En 1909, Theodor Wulf, un scientifique et père Jésuite eut l idée de tester la variation de la radioactivité avec l altitude. Comme il détectait beaucoup de radiations sur le sol, il décida de s'élever afin de capter moins de radiations, ou du moins le pensait-il! Il fit des mesures à la Tour Eiffel, mais conclut quand même que l émission venait de la terre. 9

10 Radioactivité en altitude? Il devint évident que des mesures en ballons devenaient nécessaires, puisque les satellites et fusées n existaient pas Encore que Rodolphe Töpffer, auteur genevois ( ),premier auteur de bandes dessinées 10

11 En ballon Le premier de ces vols eu lieu en décembre 1909 avec un ballon de l aéroclub suisse appelé Gothard. Alfred Gockel, professeur à l Université de Fribourg, monta par trois fois à 4500 m et trouva que la radioactivité ne diminuait pas avec l altitude : Es muss diese Strahlung daher zum Teil entweder aus der Atmosphäre oder von einem Gestirn ausserhalb der Erde kommen 11

12 La situation fut éclaircie grâce à une longue série de vols en ballons par le physicien autrichien Viktor Hess, atteignant 5200 m en 1911 et 1912, dans lesquels la radiation augmente avec l altitude jusqu' à 100 %. 2012, la découverte 12

13 La découverte Hess a publié un résumé en 1913, dans Physikalische Zeitschrift, où il conclut que la radiation doit venir d en haut, d origine extra terrestre, mais pas du soleil, car pas d effet jour-nuit. 13

14 Le prix Nobel de physique 1936 C.D. Anderson V.F. Hess. 14

15 Effet du champs magnétique terrestre Il fallut attendre jusqu en 1941 pour que l on admette que la majeur partie des rayons cosmiques (appellation de Robert Millikan) sont constitués par des protons d origine astrophysique, et non de rayons gamma, grâce à l effet du champs magnétique terrestre. field ds charged (at 370 Km) t magn equator (R = Pc )to reach ze 15

16 De nombreuses découvertes fondamentales furent effectuées avec les rayons cosmiques e 1912: les rayons cosmiques 1932: le positron 1947: les pions Découvertes: 1936: Muon (μ) 1949: Kaon (K) 1949: Lambda (Λ) 1952: Xi (Ξ) 1953: Sigma (Σ) Les utiliser aussi comme projectiles pour étudier la nature de la matière en détail, comme l avait fait Rutherford en La physique des particules a commencé avec les rayons cosmiques. 16

17 Photographie dans une chambre de Wilson du premier positron observé 17

18 Motivation pour chercher une idée unifiante : le modèle des quarks. 18

19 Interaction d un rayon cosmique avec l atmosphère 19

20 Les rayons cosmiques à l aiguille du Midi L officier Paul Chanson, polytechnicien, proposa en 1941 à Louis Leprince-Ringuet ( ), professeur à Polytechnique, la construction d un petit laboratoire à proximité du Col du Midi. 20

21 Téléphérique au col du Midi ( ) Un monte-charge à 2 bennes jusqu à 3600 m. 21

22 Plan de situation du laboratoire des Cosmiques 22

23 Le laboratoire des cosmiques Chalet construit en 1943, inauguré en

24 Le laboratoire des cosmiques 24

25 Plan du laboratoire des Cosmiques 25

26 L instrumentation scientifique Ligne électrique triphasée installée pour chambre de Wilson, V, 600 A. 26

27 Des cosmiques aux accelérateurs Dès 1950, la physique des particules commença a être dominée par les accélérateurs. Ont été crées des organisations, conférences et journaux scientifiques distincts et spécifiques (accélérateurs OU rayons cosmiques) Mais aujourd hui on ne connait toujours pas l origine et la composition précise des rayons cosmiques!!! 27

28 La physique des astroparticules Un champs de recherche interdisciplinaire Questions: Les restes de supernovae sont-ils les sources de rayons cosmiques galactiques? Comment détecter la matière noire? De grands projets sont en cours ou en préparation. 28

29 Recherche directe de la matière noire CJPL CDEX (Ge). 29

30 Rayons gamma de très hautes énergies: Cherenkov Telescope Array 30

31 Amundsen-Scott South Pole station South Pole Dôme AMANDA 1500 m Summer camp en profondeur: car la glace est transparente pour réduire le bruit de fond de muons atmosphériques 23 juillet m [not to scale] MB Chamonix 31 31

32 Rayons cosmiques sur la Station Spatiale Internationale: AMS 32

33 Références: Per Carlson and A. De Angelis, Eur. Phys. J.H Report on the Emergence of Astroparticle Physics par Bernard Revaz and Maurice Bourquin L épopée des cosmiciens à l Aiguille du Midi par Jean-Marie Malherbe, Observatoire de Paris-Section de Meudon Noces de diamant avec l atome, Louis Leprince-Ringuet, Flammarion, Photographies des archives du Professeur Leprince-Ringuet et Observatoire de Paris 33