Electromagnetic cascade or « soft cascade » (soft referring to the beta particles) comes from the interaction of a γ-ray with a nucleus and materialises (pair creation effect), the resulting electrons subsequently producing new γ-rays by bremsstrahlung. These materialise in turn and there is a rapid development of a ‘cascade’, the original energy being dispersed among a large number of electron and γ-quanta. Alternatively, the cascade may be initiated by a fast electron. The dispersal of the energy among an increasing number of electrons and quanta necessarily involves a rapid reduction in the average energy of the particles in a cascade. When the energy of an individual electron is reduced to ∼20 MeV (in a medium of nuclear emulsion), it is soon removed from the cascade through loss of energy by ionisation (remember the concept of critical energy Ec ; When the energy of the particle is below Ec, the main process of energy loss is by ionisation and not more by Bremsstrahlung). As a result of such processes, the number of electrons rises to a maximum value and then declines. During a cascade, secondary processes also happens : loss of energy by ionisation, Compton effect, deviations due to scattering which increase the divergence of the particles in the cascade and trident production.
Les images suivantes dans des chambres à expansions montrent de tels événements avec des particules primaires d’origine cosmique.
Gerbes produites par des particules non ionisantes. A gauche (1937) diamètre de la chambre 14 cm, profondeur 2,5 cm, plaque de platine de 0,5 cm d’épaisseur, pas de champ magnétique. A droite diamètre de la chambre 30 cm, profondeur 10 cm, plaque de plomb de 3 cm d’épaisseur, pas de champ magnétique.
Ci dessus la particule primaire est neutre et ne laisse pas de trace comme on peu le voir sur les images ci dessus. Il s’agit de rayonnements gamma.
A gauche : Cascade ayant son origine extérieure à la chambre, 3100 gauss, diamètre de la chambre 13 cm. A droite : Gerbe formée dans une plaque de plomb, pas de champ magnétique, diamètre de la chambre 30 cm.
D’autre exemples de cascade électromagnétique, constituée d’électrons et de positons (ci dessus). La photographie de gauche a été une des première à montrer le phénomène des cascades électromagnétique (Blackett et Occhialini, 1933). Sur cette photo, les deux particules les plus courbées, à droite, sont des positons de 12 et 45 MeV/c.
Électrons et positons issus d’une gerbe primaire faisant d’autres cascade électromagnétique dans un écran de plomb de 3 cm (1938). Diamètre de la chambre 30 cm, pas de champ magnétique.
Si l’énergie des positons et électrons crée dans une gerbe est suffisante, ils peuvent initier d’autre gerbes si de la matière est présente. Comme le montre les photos, les particules les moins énergétiques ne font pas de gerbes et sont absorbée par le plomb. Dans la photo de droite, les particules arrivent de façon quasi parallèle.
Cette image à été prise dans une chambre à brouillard de diamètre 30 cm sous un champ magnétique de 7000 gauss. La plaque de plomb est épaisse de 3,5 cm. Les gerbes de la partie inférieure sont initiés par des photons entre 0,7 et 3 GeV d’énergie.
La chambre avait pour dimension un carré de 50 cm pour une profondeur de 20 cm et contenaient 8 plaques de plomb de 1,3 cm. L’expansion de la chambre était déclenchée par des compteurs en coïncidence au niveau de la mer. La cascade est initié par un photon primaire d’environ 4 GeV. Quelques électrons sont rétrodiffusé sur les plaques de plomb.
Les conditions sont identique à la photo précédente. Malheureusement l’espace au dessus de la première plaque de plomb n’est pas visible ce qui empêche d’identifier les particules primaires (électron ou photon) ayant engendré les gerbes.
Vue stéréoscopique de gerbes électromagnétique produites par des électrons primaires. Les plaques de plomb font 1,3 cm d’épaisseur. A gauche, l’énergie de l’électron primaire est d’environ 4 GeV. Sur la photo de droite, la cascade est particulière : il n’y a apparemment pas de gerbe crée après la première plaque de plomb. Un examen stéréoscopique montre que les deux particules dans cette zone ne sont pas liés à l’électron primaire. Un photon issu de l’interaction de l’électron primaire avec la plaque de plomb supérieur produit une petite gerbe dans la plaque du milieu.
Vue stéréoscopique d’électrons et de positons (venant du haut) passant à travers une plaque de 3,5 mm de plomb. Certains électrons/positons incident sont absorbés par la plaque de plomb ou perdent de l’énergie (comme le montre la diminution de leur rayon de courbure après passage dans la plaque). On observe une création de paire formée par un photon incident.
Cascade (shower) électromagnétique obtenu par Anderson à une altitude de 4300 m sous un champ magnétique de 7900 gauss (1936). Il s’agit de la même chambre (Ø16,5 cm) verticale à expansion où Anderson a découvert le positon. Sur la gauche, on observe 3 tracés correspondant à des électrons de 3,5 ; 55 et 190 MeV/c (de gauche à droite). Trois positons sont observable à droite avec des momentum de 78 ; 70 et 90 MeV/c. Le tracé en spiral provient d’un delta ray de 3 MeV/c produit par l’électron de 190 MeV/c .
A droite, en haut, photographie (1939) d’une chambre à expansion de 28 cm de diamètre balayé par une cascade électromagnétique initié loin de la chambre. A droite, photo d’une chambre à diffusion de 45×45 cm montrant le même type d’événements que j’ai pu observer en 2012 à 2900 m d’altitude.
Photographie (1949) au niveau de la mer d’une chambre de dimension 50 x 40 x 15 cm contenant 16 plaques de plomb de 1,3 cm. Des électrons primaire parallèle (ou des photons), eux même issu d’une précédente gerbe, ont engendré deux cascades. L’énergie des particules primaires est estimée entre 2 à 5 GeV.
Cascade électromagnétique vraisemblablement initiée par un photon. Il y a trois écrans de plomb épais de 2 cm chacun et distant de 13 cm, dimension de la chambre 75 x 75 cm. L’énergie totale peut être estimée à 30 GeV.
Anderson 1936, Pike’sPeak 4200 m. La vue de gauche est la vue directe dans la chambre (l’autre image provient d’un miroir pour avoir une vue stéréoscopique). Champ magnétique : 7900 Gauss.
Image ci contre : Exemple d’un positon perdant une grande quantité d’énergie dans une plaque de plomb de 0,35 cm. En dessous de la plaque 3 particules apparaissent, de gauche à droite : un positon de 45 MeV, un électron de 45 MeV et un positon de 35 MeV. Un des positon sous la plaque est probablement le positon incident, l’autre positon ayant pour origine avec l’électron, une paire généré par un photon crée dans la plaque de plomb par le Bremsstrahlung du positon incident qui à perdu au moins 435 MeV dans le processus. La trace trés courte et présentant une grande ionisation est un alpha provenant certainement d’une contamination de la plaque.
Légende identique à celle précédente
Image de gauche : Une cascade (shower) où 8 positon/électron incident atteigne la surface d’une plaque de plomb de 0,35 cm. Plus de 28 positons/électrons émergent en partie inférieure de la plaque. Cette photo est un exemple de la multiplication des gerbes dans une faible épaisseur de matière.
Image de droite : Une cascade de plus de 100 électrons. L’énergie totale de la gerbe excède probablement 10 GeV.