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Submitted on 1 Jan 1934

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Étude par la méthode des coincidences de la variationdu rayonnement cosmique suivant la latitude

L. Leprince-Ringuet, P. Auger

To cite this version:L. Leprince-Ringuet, P. Auger. Étude par la méthode des coincidences de la variation du rayon-nement cosmique suivant la latitude. J. Phys. Radium, 1934, 5 (5), pp.193-198. �10.1051/jphys-rad:0193400505019300�. �jpa-00233223�

ÉTUDE PAR LA MÉTHODE DES COINCIDENCES DE LA VARIATION DU RAYONNEMENT COSMIQUESUIVANT LA LATITUDE

Par L. LEPRINCE-RINGUET et P. AUGER.

Sommaire. - Des mesures du nombre de particules du rayonnement cosmique arrivant par secondesur l’unité de surface de la terre ont été faites au niveau de la mer, entre 40° de latitude Nord et 38° delatitude Sud (Le Hâvre-Buenos Aires). Les trois appareils comportant chacun trois compteurs en coïnci-dence ont indiqué une baisse d’environ 15 pour 100 de ce nombre dans la région de l’équateur. en ce quiconcerne les rayons verticaux. Des études de la répartition angulaire des directions d’arrivée sur la terre,et du pouvoir pénétrant des rayons corpusculaires cosmiques ont été également effectuées le long du trajet.

Etat de la question. - Deux hypothèses principa-les ont été émises au sujet de la nature des rayons, ditscosmiques, qui arrivent à la surface de la terre. Douésd’un très grand pouvoir pénétrant, ces rayonnementsionisent les gaz, déterminent des décharges dans lescompteurs de Geiger-Müller, laissent des traces dansles appareils à détente. Les effets que nous observons

sont, avec certitude, dus directement à des électrons desdeux signes dont l’énergie cinétique correspond à desdizaines ou des centaines MVe (mégavolts électrons).Ces électrons rapides sont-ils arrivés directement desespaces extérieurs à la terre, ou sont-ils produits parle passage à travers l’atmosphère d’un rayonnementélectromagnétique de très courte longueur d’onde ?On pourra trouver dans un article précédent (1) une

brève discussion de ce problème, il suffira ici d’en

signaler l’importance, et d’examiner comment l’étudedes variations du rayonnement cosmique en latitudepeut donner quelques renseignements.

Action du champ terrestre. -Stôrmer 1’) et plusrécemment Lemaîtreet Vallarta (3), Fermi et Rossi 1’)ont calculé l’action du champ terrestre sur des électronsde grande énergie arrivant sur la terre et provenant depoints très éloignés.

TABLEAU I.

Cette action aura pour effet d’écarter (les empêchantainsi d’atteindre le sol) tous les rayons d’énergie infé-rieure à une certaine valeur, valeur variable suivantles latitudes (latitudes géomagnétiques plus exacte-ment, c’est-à-dire calculées à partir de l’équateur ma-

gnétique d’un aimant qui aurait un champ identique àcelui de la terre à une grande distance du sol). Deplus l’inclinaison maximum de ces rayons sur la verti-

Fig. 1. - Photographie de l’un des dispositifs de détection(appareil no 1). On voit : en haut, les trois compteurs; aumilieu, l’oscillographe, le dispositif d’enregistrement des pas-sages par thyratron et relai-compteur téléphonique et, àdroite, l’amplificateur-sélecteur; en bas, la batterie de pilessèches de 4 500 volts.

cale est très différente suivant les latitudes. Fermi etRossi ont publié le tableau ci-dessus (tableau I) pour lesénergies et les angles extrêmes d’incidence des élec-trons à leur arrivée au sol.On doit donc s’attendre, s’il s’agit effectivement

d’électrons venant de loin,à une diminution du nombredes corpuscules par élimination des moins énergiqueslorsqu’on avance des hautes vers les basses latitudes.Cette diminution doit être d’après Lemaître et Vallartasurtout sensible entre 30° et 0°. En second lieu, larépartition des directions d’arrivée au sol doit être dif-férente sous les hautes ou basses latitudes.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:0193400505019300

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Etudes avec la chambre d’ionisation. - Plusieurs expéditions de mesures ont été effectuées aucours de ces dernières années pour étudier avec deschambres d’ionisation l’intensité du rayonnement cos-mique en différents points de ’la terre. Celles de Milli-kan (5) et de ses collaborateurs n’ont pas montré devariation appréciable. Celles de Clay (~), de Compton(’) et collaborateurs et tout récemment de Hoerlin (g)ont au contraire donné un résultat nettement en faveurde la théorie électronique. Voici, figure 2, les courbes

Fi g. 2. - Courbe donnant l’effet de diminutionaux faibles latitudes de l’ionisation observée dans une chambre.

(Compton, Clay et Berlage, Bennet et Dunham, Wollen, Naudé.)

de ces expérimentateurs.Les ordonnées sont les valeursde i, nombre d’ions formés par seconde et par centimè-tre cube d’air normal, une fois les rayons de radioacti-vité terrestre et atmosphérique absorbés par des écransconvenables. Elles montrent une baisse de 9~ pour 100environ entre 30" et 0° de latitude magnétique nord ousuâ au niveau de la mer; entre 3U~ et 80° au contrairela valeur de i est constante (9, 1°). La variation semblebeaucoup plus accusée lorsque les mesures sont faitesen haute altitude, c’est-à-dire lorsque les rayons de pé-nétration moindre interviennent. La chambre d’ionisa-tion est un instrument très mobile et bien adapté auxvoyages. Elle présente cependant l’inconvénient de nedonner que des mesures globales, résultant de l’effetde tous les rayons qui l’atteignent.Méthode des coïncidences. 2013 Elle consisteà mon-

ter deux ou plusieurs compteurs de Geiger- et Müller detelle manière que les impulsions ne sont enregistréesque si elles se produisent simultanément dans tous lescompteurs ("). Différents montages ont été proposés, celuide Rossi parait le plus symétrique et le plus simple.

Si de tels compteurs sont placés verticalement les unsau-dessus des autres, on observe un assez grand nom-bre de coïncidences, dues en partie à des effets dehasard entre les impulsions indépendantes de comp-teurs, et en partie à des simultanéités réelles, les dif-férents compteurs étant excités par un même rayonélectronique cosmique. Il est possible d’évaluer lesnombres moyens de coïncidences fortuites en disposant

(*) BOTHE et KOLHORSTER ont déjà effectué, avec deux compteursen coïncidence, des mesures aux latittides supérieures à 50" [1 i J.

les compteurs à distance notable les uns des autres

pour éliminer les simultanéités vraies. Il reste alorsavec le dispositif â, trois compteurs que nou utilisions .

un très petit nombre d’impulsions, de l’ord e de 1 parheure, qui ne peuvent intervenir notablement dans lesrésultats. Cette méthode peut donc dormer une mesuredu nombre de particules ionisantes pénétrantes attei-gnant les appareils par unité de temps. En effectuantde telles mesures, avec le même montage en des pointsde latitudes variées on peut donc espérer mettre en évi-dence une variation de ce nombre de particules. Deplus l’interposition de blocs de plomb entre les comp-teurs donne une idée, par la réduction qu’elle fait subirau nombre de coïncidences, du pouvoir de pénétrationde ces particules.

Trajet effectué. - Nous avons choisi, comme

moyen de transport des appareils, le bateau, qui pré-sente le grand avantage d’éviter tout déplacement desappareils hors du laboratoire, une fois que le montageest réalisé dans une cabine. De plus la radioactivitédes objets environnants est nulle (fer, métaux, bois)il suffit de vérifier que le chargement ne consiste pasen minerais qui pourraient être actifs. En mer la radio-activité du sol est annulée. La ligne parcourue par le bâti-ment doit présenter le maximum de variation de latitudedans le temps le plus court, le parcours Le Hâvre-

Buenos-Ayres nous a paru remplir les conditions, etc’est tsur le paquebot mixte Kerguelen, de la compagnie desChargeurs Réunis que nous avons monté nos appareilspour un trajet aller et retour France-Argentine.

Ce trajet a duré deux mois, pendant lesquels ’lesappareils ont fonctionné jour et nuit sans interruption.Le fait de repasser par les mêmes points au retour, adonné lieu à deprécieux contrôles.D’autre part Buenos-Ayres étant sous une latitude sud voisine de la latitudenord du Havre nous avons eu une courbe symétrique.

Description des appareils. - Nous avons cons-truit pour le voyage trois armoires métalliques contej-nant chacune un dispositif de, détection des rayonnei-ments corspusculaires ultrapénétrants par la méthodédes coïncidences entre les impulsions de trois compteurmGeiger Müller. Ces dispositifs ont t été réalisés au lab01-ratoire de M. M. de Broglie par les mécaniciens Louvi-gny et Boulanger que nous tenons à remercier.Le schéma de l’amplificateur qui, dans chaque

appareil ne laisse passer les impulsions que lors-qu’elles sont simultanées dans les trois compteurs,a été conçu selon le type décrit par Rossi (*).A la sortie de l’amplificateur, l’impulsion est reçue

d’une part dans un oscillographe Dubois, d’autre partdans le primaire d~un transformateur dont le secondairecommande la grille d’un thyratron. Le passage du cou-rant dans le thyratron fait fonctionner un relais-comp-teur téléphonique d’abonné; et l’indication du relais-

(*) Nous avons utilisé des thyratrons F. G. Il de la Compagniefrançaise de Radiologie, qui ont fonctionné sans interruptionpendant tout le voyage avec régùlarité. La tension de 400 voltsappliquée aux compteurs était donnée par des blocs de pilesWonder qui se sont montrées d’une constance parfaite.-

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compteur donne le nombre de corpuscules enregistrée.La présence de l’osciJ lographe tt pour but de

tre un réglage précis de l’amplificateur et de contrôlerle fonctionnement de chaque compteur. -

Compteurs. Nombre d’impulsions. _Coïnci-dences fortuites. - Les compteurs à électrons ont laforme représentée (fig. 3). Le tube est en fer, diamètreintérieur 40 mm, épaisseur 1 mm. Le fil axial est enacier, oxydé par passage d’un courant; son diamètreest 0,15 mm.Le tube est rempli d’argon non purifié, sous la pres-

sion de 6 cm de mercure. L’isolant utilisé est de l’ébo-nite de très bonne qualité; les joints sont faits à la

picéine (*). La tension appliquée aux compteurs estde l’ordre de 1400 volts.

Ces compteurs présentent un palier assez large (plusde 50 volts en général), pour l’indication du nombred’impulsions individuelles. Mais on doit, pour l’obser-vation des coïncidences, se placer toujours au mêmepoint de ce palier, car le nombre des coïncidencesréelles et fortuites observées dépend de la durée de cha-que impulsion, durée qui ne semble pas être la mêmeaux deux extrémités du palier (les impulsions durentun temps plus long quand la tension appliquée auxcompteurs est plus élevée). Pendant le voyage, nousavons fait fonctionner les compteurs avec une tensionsupérieure de 30 volts à la tension de démarrage.Chaque compteur, pris individuellement, donne une

soixantaine d’impulsions par minute. Essayés avant ledépart dans la cave de l’Institut de Biologie physico-chimique, située sous une épaisseur de 12 m de terre,ils donnaient environ 20 impulsions par minute.

-- Les coïncidences entre trois compteurs, placésaussi loin que possible les uns des autres (40 cm de dis-tance), sont de 1 par heure. Cette valeur correspond àl’ensemble des coïncidences triples fortuites et decelles dues aux phénomènes de gerbes produites parles rayons cosmiques.

Les trois appareils étaient installés dans une mêmecabine du pon t supérieur du paquebot Kerguelen. Latempérature de cette cabine a été maintenue aussi cons-tante que possible, et les appareils étaient à une tempé-rature légèrement supérieure à celle de la cabine

(30oC) et bien desséchés par la présence de chlorurede calcium. La gêne causée par l’humidité considé-rable des régions équatoriales a été ainsi éliminée.

L’absorption des objets (pont supérieur, canots desauvetage) situés soit au-dessus des compteurs soit ver-ticalement, soit dans un angle solide de 60 degrésautour de la verticale ne dépassait pas l’équivalent ~leJ ,5 centimètre de fer.

Disposition des compteurs. - Dans l’appareiln° ~, les trois compteurs étaient placés comme il est

indiqué. ci-contre (fig. 3). Cette disposition donne unedirection d’arrivée définie sans grande précision puis-que dps rayons tels que A R et C D sont enregistrés.

(’) 1~. BECK au laboratoire de Chimie-Physique et M. ont mis au point la plus grande partie des compteurs à électrons.

Mais on obtient un grand nombre de rayons en untemps eotrrt (100 par heure eu position verticale), cequi est précieux, à cause de l’incertitude due aux fluc-tuations de nombre en fonction du temps. En plaçantle plan ders compteurs, soit vertical, soit incliné sur laverticale, on pouvait avoir des indications nombreuseset bien encadrées.Dans lps appareils

et 3, les compteurs étaientplacés au contraire à une dis-tance notable l’un de l’autre

Fig. 3. - Disposition descompteurs dans l’appa-reil n ° 1.

Fig. 4. - Schéma des comp-teurs dans les appareilsnos 2 et ~~. Les briques deplomb sont amovibles.

(fig. 4). On pouvait ainsi interposer une épaisseurde 20 cm de plomb entre les compteurs d’un mêmeappareil. Périodiquement, on enlevait et remettait

l’écran ; la différence des lectures donnait la propor-tion des rayons arrêtés par 20 cm de plomb (*). Les

appareils 2 et 3 étaient identiques ; la corrélation desindications fournies par l’un et l’autre, relativementpeu nombreuses (~?0 rayons par heure), donnait plus depoids à l’observation. Le plan contenant les compteursest toujours resté vertical, sauf naturellement pour lescontrôles du nombre des coïncidences fortuites.

Vieillissement des compteurs. - Les compteursont fonctionné d’une façon régulière et satisfaisante.Néanmoins, le nombre d’impulsions que donne chaquecompteur en un temps déterminé (1 minute) a décrud’une façon constante. On le constatait en comparantles indications aux points de même latitude, à l’aller etau retour. En traçant, pour chaque compteur, la courbedonnant la diminution du nombre d’impulsions enfonction du temps séparant les passages aux points demême latitude, on obtenait le vieillissement du comp-teur. Tous ont présenté ce phénomène, dans des pro-portions comparables.Nous avons figuré ici les courbes donnant le vieillis-

sement des appareils à coïncidences. Il apparaît quece vieillissement est, pour la durée de deux mois duvoyage, sensiblement linéaire (fig. 5). Le phénomènen’est pas dû à la présence d’émanation dans les tubes.

Résultats obtenus [12, 13]. - Dans les tableaux

qui vont suivre, sont résumés les principaux résultats,

t*) Cela n’est pas tout à fait certain à cause des effets detransition et autres. Il est très difficile de donner la significa-tion exacte de cette différence.

-

~

~, "

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TABLHAU A. 2013 du tableau-journal de rr° 1.

Fig. 5.

sans aucune correction. Il y a lieu de faire plusieursremarques préliminaires : tout d’abord, l’état de lamer fut toujours satisfaisant et le mouvement du navire(roulis et tangage) faible. Les angles indiqués sont desvaleurs moyennes exactes, les mouvements du navireayant pu seulement étaler due 2 ou 3 degrés autour deces valeurs moyennes la définition des incidences.

D’autre part, certaines mesures ont été faites dansdes conditions particulièrement favorables; ce sontcelles de Buenos-Aires, où le « Kerguelen » est restéune semaine, et où les enregistrements ont été effectués

sans interruption et sans aucun mouvement. Celles faitesà Rio de Janeiro et Santos, portent aussi sur plus dequatre jours d’immobilité. Enfin, celles du retour entrePernambouc et Dakar, dans la zone équatoriale, la direc-tion du navire entre ces points étant plus inclinée surle méridien, ont permis un plus grand nombre de lec-tures pour un même changement de latitude.Nous n’avons pas eu à tenir compte de l’effet baro-

métrique, les courbes du baromètre enregistreur ayantmontré une très grande constance (1 cm de mercure devariation).

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Tableaux des résultats. -- Le ta-bieau A donne un exemple du tableau-journal de l’appareil 1. Les orienta-tions indiquées sont celles du plan descompteurs. Lorsque ce plan est verti-cal, les compteurs sont dans la positionreprésentée figure 3. Cela ne signifiepas que tous les rayons enregistréssoient verticaux; on détecte aussi bienAB que CD; néanmoins, la directionde la majeure partie des rayons est

verticale (*). Nous avons fait aussi desmesures, en orientant le plan des

compteurs dans d’autres directions.L’indication : 30° Est signifie que leplan des compteurs est orienté à 30ede la verticale et vers l’Est. Les mesures

correspondant à diverses inclinaisonsavaient pour but de nous donner lacourbe de répartition du nombre desrayons en fonction de la distance zéni-

Fig. 6. - Résultats de l’appareil n° 1 (sans correction).Le nombre entre parenthèses est le nombre de rayons enregistrés

correspondant au point de la courbe.

thale, et aussi de comparer le nombre des rayons arri-vant d’azimuths différents pour une même distancezénithale. Le nombre total de rayons, la durée de

l’expérience, la moyenne par heure, la latitude, sontinscrits, ainsi que des remarques sur le fonctionnementdes appareils.

’

Les courbes de la figure 5 donnent les vieillissements~les trois appareils en pour cent des indications horaires,résultant de la comparaison des résultats obtenus àl’aller et au retour sous les mêmes latitudes.

TABLEAU B. - 1.

Rayons Pésiillats salis corneclium·,

Le tableau B et la courbe de la figure 6 représententles résultats bruts, sans aucune correction, de l’appa-reil 1. On voit, d’après la courbe, qu’il y a une décrois-sance due au vieillissement, et une variation suivant lalatitude superposée. Le minimum équatorial est trèsnet, et la baisse correspondante de 16 pour 100. Lescourbes de la figure 7 donnent les indications des appa-

(*) Dans ce cas l’axe des compteurs était orienté Nord-Sud.

reils 2 et 3; chaque point correspond à la moyennedes indications de l’aller et du retour, les filtres de20 cm de plomb étant placés entre les compteurs. Onaperçoit une baisse équatoriale du même ordre. Lestableaux C et D donnent les coefficients de filtration

pour les écrans de 20 cm de plomb, en fonction de la la-titude ; aucune variation systématique ne s’en dégage.

TABLEAU C. - Appareil n° 2.Coefficient de filtration par 20 cm de PloJ1zb

en l’onction de la latitude.

Enfin, les courbes de la figure 8 donnent les nombresde rayons en fonction de leur direction vis-à-vis de la

verticale, dans deux régions : à 38° de latitude sud et sousl’équateur. On aperçoit tout d’abord la baisse équato-riale des rayons verticaux mais en plus une répartitionnotablement différente des rayons obliques. En parti-culier. la courbe équatoriale est nettement dissymé-trique en faveur des rayons venus de l’ouest, alors quela courbe sous haute latitude est à peu près symé-trique, confirmant les résultats de Johnson et autres[14, ta, ~.6~.

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Mg.-L

Cette variation, entre ~0° de latitude nord [ousud et l’équateur, est voisine de 15 pour 100, en *ce qui concerne les rayons électroniques verticaux.Il est difficile de trouver une interprétation de cerésultat qui ne soit pas basée sur l’action du champmagnétique terrestre, ce qui conduit à dire que,au moins aux distances de la surface du sol del’ordre du rayon de la terre, le rayonnement cos-mique est en partie formé de corpuscules chargésélectriquement.

Les différences dans les courbes de répartitionangulaire peuvent se résumer ainsi : A l’équateur,il y a moins de rayons verticaux que sous ~0° de

latitude, mais la différence sur les rayons obliques(45°) est faible. Sous 40° de latitude, la courbe estsymétrique, l’est et l’ouest ne présentent pas dedifférence appréciable; sous l’équateur, il vient

plus de rayons de l’ouest que de l’est, surtout

entre 20° et ~0° d’angle avec la verticale.

TABLEAU D. - Appareil 1?,, 3.

-Coefficient de filtration par 20 cm de 1-loniben fonction de la latitude.

Au total, le nombre de rayonsenregistrés sur lesquels ont portéles mesures est de 120 000 pourl’appareil no 1, et de 50 000 pourl’ensemble des cleux autres ap-pareils.Conclusion. - L’ensemble

de ces résultats indique que lesvariations en fonction de la lati-

tude, de l’ionisation globale,sont dus à la variation du nombred’électrons (des deux signes) quiatteignent la surface du sul entemps donné.

Fig. 8. - Nombre de rayons en fonction de leur direction.

Les expériences de filtration montrent que le pouvoirpénétrant moyen des électrons cosmiques est restésensiblement le même sous toutes les latitudes, en cequi concerne les rayons à peu près verticaux. Mais lesfluctuations des nombres obtenus ne sont pas négli-geables ; si l’on doit déduire des indications que labaisse équatoriale est moindre pour les rayons péné-trants que pour l’ensemble, cette différence est en toutcas trop faible pour que nous ayons pu mettre enévidence directement un pouvoir pénétrant moyenplus grand à l’équatetir.La mission était subventionnée par la Caisse des

Recherches Scientifiques. Nous tenons à remercier laCompagnie des Chargeurs Réunis et l’équipage du va-peur « Kerguelen » qui ont beaucoup facilité notretàche.

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