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Les Muons

 

En 1932 Rossi à montré en utilisant des compteurs Geiger en coïncidence qu’environ 40% du rayonnement cosmique venant d’une direction vertical au niveau de la mer était capable de traverser 1 mètre de plomb. On pouvait scinder le rayonnement cosmique en deux composantes : une composante dure, capable de traverser au moins 15 cm (168 g/cm²) de plomb, et une composante molle qui est absorbée par la même épaisseur de plomb. On sait de nos jours que la composante molle est constituée d’électrons et de muons de basses énergies, tandis que la composante dure de muons (99%) et d’hadrons (n,p,π) de grande énergie.

La photographie ci contre à été prise dans deux chambres superposées entre lesquelles était placé un écran d’or de 9 cm (soit 173 g/cm²). Un pouvoir de pénétration aussi élevé n’est pas compréhensible pour des électrons étant donné leur forte propension à perdre rapidement leur énergie par rayonnement de freinage dans la matière. Anderson et Neddermeyer en conclurent en 1936 qu’il existait dans le rayonnement cosmique une particule de masse intermédiaire entre l’électron et le proton. Elle fût appelé « méson » ou « mésotron ». De nos jours, les mésons désignent les particules composite fait d’un nombre pair de quarks et d’antiquarks, il s’agit notamment des pions et et des kaons. Ce n’est qu’en 1947 que le « mésotron » à été renommé « muon » après la découverte du pion. Les muons ne sont pas des mésons, mais des particules élémentaires classé dans la famille des leptons, comme les électrons.

Ci contre : Passage d’une particule cosmique (un muon) à travers 9 cm d’or. La trajectoire est visible avant et après son passage dans l’écran dans deux chambres séparées. Champ magnétique 12 000 gauss. L’emplacement des deux compteurs en coïncidence est désigné par Z1 et Z2. Les photographies montrent plusieurs vues (représentation stéréoscopique grâce à des miroirs) du passage de la particule. Dimension de la chambre 30 cm de hauteur, 18 cm de largeur, 4,5 cm de profondeur.

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Les deux photos à droite (1937, Blackett & Wilson) montrent le passage de deux muons de grande énergie traversant de haut en bas un écran de cuivre de 2 cm. A gauche, l’énergie initiale de la particule est de 640 MeV et la perte d’énergie dans l’écran 280 MeV. Sur la photo de droite, la particule incidente possède une énergie considérablement plus faible (ce qui se voit à sa courbure prononcé par le champ magnétique de 10 000 gauss) et la perte d’énergie relative dans l’écran est donc relativement beaucoup plus grande (plus une particule est lente et plus elle perd d’énergie cf dE/dx).

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A gauche : Les images de chambres à brouillard montrent parfois des exemples d’événements secondaires qui proviennent des interactions électromagnétique (processus de collision, Bremsstrahlung, création de paire) de particules cosmiques plus lourde que des électrons. Ces particules peuvent être soit des muons ou des protons en grande majorité. Au niveau de la mer ou en altitude, les muons sont bien plus nombreux que les protons. Pour une énergie donnée, les muons ont une plus grande probabilité que les protons de faire des collisions (production de delta ray) et une plus grande probabilité de perdre leur énergie par rayonnement de freinage (du fait de leur plus petite masse). On peut donc classer en tant que muon toutes particules plus lourde qu’un électron faisant une interaction électromagnétique. L’image ci dessus montre une telle interaction, où un muon éjecte par collision un électron atomique qui est facilement dévié par le champ magnétique.

A gauche : un muon incident (venant du haut) interagi sur une plaque de plomb, éjectant un électron (delta ray) courbant sous le champ magnétique (7900 gauss). A droite : un muon accompagné d’un électron (800 MeV/c) interagissent dans une plaque de plomb de 3,4 cm. Cet électron à probablement été éjecté d’un atome par le muon un peu avant qu’il ne traverse la chambre. En moyenne, un électron de 1 GeV/c produit une cascade de 10 particules après avoir traversé 3 cm de plomb comme on peut le voir sur la photo. Les muons interagissent principalement par pertes collisionnel (perte par ionisation). Ils ne créent donc pas de gerbes électromagnétique (du moins dans la gamme d’énergie du rayonnement cosmique) car ils ne sont pas ou peu soumis au rayonnement de freinage.

Cette photo à été prise dans une chambre à brouillard soumise à un champ magnétique de 1680 gauss. Elle est contrôlé en coïncidence et à un diamètre de 28 cm en étant rempli d’Argon et d’alcool à une pression à 100 cm Hg avant expansion. La plaque est en aluminium avec une épaisseur de 6 mm. Le champ magnétique est de 1680 gauss, fourni par  des bobines de Helmoltz. Sur la photo, on observe le tracé d’une particule positive à son minimum d’ionisation et se dirigeant de haut en bas. Elle devient très ionisante après avoir traversée la plaque d’aluminium. La particule ralentit de plus en plus dans la chambre, la densité d’ionisation augmente puis elle se désintègre en émettant une particule positive plus légère : un positon. La particule primaire est un muon positif. Il est certain qu’il s’agit d’un muon parce qu’un proton avec une énergie capable de traverser 0,63 cm d’aluminium produirait une trace incidente 5x plus dense que le minimum d’ionisation. De plus, elle ne montrerait pas de déviation notable dans un champ magnétique de 1680 gauss du fait de sa très grande masse.

Conditions identiques à la photo précédente. Un muon positif se désintègre dans la plaque d’aluminium en émettant un positon avec une énergie d’environ 42 MeV. Il faut noter que la direction du champ magnétique à été inversée entre les deux images.

La chambre mesure 30 cm de diamètre et dispose d’un champ magnétique de 7250 gauss. Une plaque de 10 cm de plomb était positionnée au dessus de la chambre. Un muon positif venant du haut, à l’extrême droite, est stoppé dans un écran de carbone d’environ 1 cm d’épaisseur (la plaque supérieure est en fait le compteur déclenchant l’expansion de la chambre). En entrant dans l’écran, le momentum du muon est de 75 MeV/c et il se désintègre en émettant un positon de 37 MeV après avoir pris en compte l’épaisseur de carbone traversé par le lepton.

De manière générale, il est assez rare de pouvoir capturer sur film photographique le fin de parcours d’un muon là où son énergie est la plus faible (quelques MeV). En 1940, seul une dizaine de clichés ont pu montrer de tels événements permettant une estimation de la masse de la particule par mesure de son rayon de courbure.

 

Ci contre (1938) : un muon est passé à travers un compteur Geiger à l’intérieur de la chambre en s’y arrêtant lorsque son énergie cinétique devint nulle. La chambre était sous pression atmosphérique (2/3 Helium et 1/3 d’Argon). La matière traversé par la particule en passant à travers le compteur est d’environ 1 g/cm². La chambre faisait 16,5 cm de diamètre et le champ magnétique de 7900 gauss. La particule est chargée positivement et à un momentum de 52 MeV/c d’après son rayon de courbure. Le positon issu de la désintégration du muon n’est pas visible sur cette photo.

On peut comparer ce tracé par rapport à celui laissé par un électron ou un proton. Un proton avec le même momentum au dessus du compteur Geiger ioniserait jusqu’à 30 fois le minimum, tandis qu’en dessous du compteur, là où le rayon de courbure mesuré est de 3 cm, un proton n’aurai qu’une portée inférieur à 1 mm. Un électron avec un tel rayon de courbure serait au minimum d’ionisation avec une portée de 30 m.

Un peu plus de détails sur cette méthode d’identification :

Pour identifier une particule, il faut mesurer son rayon de courbure R et sa densité d’ionisation.

Le rayon de courbure vaut R=mv/Bq avec p=mv le momentum de la particule. On a identifié le tracé de la photo précédente (avant passage dans le compteur) à un muon de momentum 52 MeV/c. Pourquoi cela ne serait-il pas la trace d’un proton ?

On a B,q et R fixés et mv qui est égal à 52 MeV/c. A ce momentum, l’énergie cinétique du proton vaut 1,43 MeV. Avec p= 52 MeV/c, l’énergie cinétique du muon est de 12,1 MeV.

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En comparant la densité d’ionisation (équivalent à la perte d’énergie linéique) laissé par ces particules dans la chambre avec la valeur calculée, on peut identifier la particule.

Dans le cas d’un muon de 12 MeV, la perte linéique est de 0,01 MeV/cm, pas très loin du minimum d’ionisation (2,5 keV/cm). Dans le cas d’un proton de 1,43 MeV, la perte linéique est largement plus supérieur à cette valeur (on dépasse la valeur max de l’ordonnée). Sur la photo, le tracé correspond à une densité d’ionisation pas très éloigné du minimum, ce qui correspond bien à un muon.

Connaissant la vitesse de la particule on peut aussi déterminer sa portée dans la matière. Après avoir traversé le compteur Geiger, le rayon de courbure du muon est de 3 cm ce qui correspond avec p=0,3BR à un momentum de 7,1 MeV/c soit une énergie cinétique de 250 keV. D’après les tables de portée, un muon de cette énergie ne parcours que quelques cm dans l’air, conforme à ce qui est observé.

Si la particule était un proton, on aurait avec un momentum de 7,1 MeV/c une énergie cinétique correspondante de 28 keV ce qui se traduit par une portée de quelques mm. Si la particule était un électron, l’énergie cinétique correspondante serait de 6,8 MeV donnant un parcours de 31 m dans l’air, là encore, ce n’est pas ce qui est observé.

Un article de Leprince-Ringuet (1941) décrit plusieurs méthodes physique permettant de mesurer la masse d’une particule, notamment lorsque la particule réalise un choc élastique avec un électron atomique (création d’un delta ray). Cette méthode lui à permis plus tard de découvrir en 1944 le Kaon (voir plus bas). 

 

 Autre type d’interactions des muons avec la matière

Nous avons vu que les pertes d’énergie des muons dans la matière se faisait exclusivement par ionisation, les contributions par les processus radiatif étant très faible, et encore plus pour les interactions nucléaire. Je n’ai pas connaissance de l’existence de photo de chambre à brouillard illustrant des processus de perte radiatifs par des muons cosmique (Bremsstrahlung, création de paire).

L’interaction nucléaire d’un muon avec un noyau ou un nucléon est une réaction où le muon incident est susceptible de dévier sous de large angles avec la production de hadrons (X) par « l’évaporation » du noyau (le noyau absorbe une partie de l’énergie du muon lors de sa diffusion, devient excité et évacue le trop plein d’énergie en s’évaporant c’est à dire en émettant des particules).

L’observation du passage de plusieurs milliers de particule cosmique au niveau de la mer à travers des plaques de plomb a montré que ce phénomène était extrêmement rare. Néanmoins, des photos de muon (supposé) réalisant des interactions nucléaires ont pu être observés par John Graham Wilson en 1940 (thésard de C.Wilson) ou par Brode et Starr en 1938 (3 photos sur 20 500).

J.G Wilson à accumulé un millier de photographies de passage de muon à travers un écran de 4 cm de plomb dans une chambre à brouillard. A la 1250 éme photo, il observa un cas d’interaction nucléaire donnant lieu à l’émission d’un proton avec diffusion de la particule incidente. L’événement est ci contre. Deux particules A et B arrivent en haut de la chambre en même temps, elles sont donc issu de la même cascade (voir les gerbes pénétrantes plus bas). La particule A éjecte vraisemblablement un électron (D). La particule incidente A d’énergie initiale entre 1 et 2 GeV est diffusé à 18° en A’ et un proton C de 56 MeV (d’après sa courbure) est éjecté par le noyau collisioné. L’énergie initial du proton, en prenant en compte sa perte dans l’écran, est calculé à 170 MeV.

Même si le flux de proton cosmique de hautes énergies est faible (1 à 2% au niveau de la mer), il est très probable (cf ci dessous) que ce genre d’interaction soit produit par des hadrons incident, les sections efficaces d’interactions nucléaire étant bien plus importantes que celle des muons du fait de la sensibilité des hadrons à l’interaction forte. Cependant en 1939, une expérience à 22 m sous le métro Londonien montra que les muons pouvait réaliser des interactions nucléaires : on pouvait observer des « stars » (cf ci dessous) qui ne pouvait être produites que par des particules cosmiques capable de traverser de si grandes épaisseur de matière, soit des muons.

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Particules cosmique au minimum d’ionisation

Les photos suivantes (Hodson, 1950) montrent une chambre à brouillard contrôlé par un squelette de compteur proportionnel positionné au centre de la chambre. Un compteur Geiger est positionné à l’extérieur de la chambre. Lorsqu’une particule passe dans le compteur Geiger et dans celui à l’intérieur de la chambre (détection en coïncidence) la chambre devient sensible par expansion de son volume et la photo est prise. Le fil d’anode du compteur proportionnel mesure 0,1 mm et passe à travers les parois en verre de la chambre. Celle ci mesure 28 cm de diamètre et est rempli d’Argon et de vapeur d’alcool jusqu’à 118 cm Hg. Dans ces conditions le compteur était proportionnel entre 1950 et 2300 volts.

Lorsque les particules sont au minimum d’ionisation, on ne peut identifier leur nature. Ici, un rayon cosmique à éjecté un électron qui est entré dans le volume de détection du compteur. La particule primaire peut être soit un muon, un proton, un électron…

A gauche, une petite gerbe de particules au minimum d’ionisation à déclenché la chambre. Il s’agit probablement d’électron ou de positon. A droite une cascade électromagnétique balaye la chambre, l’anode montrant les décharges causées par les particules.

 

Protons

A la fin 1939, plusieurs observations ont conduits à penser que le rayonnement cosmique était constitué en faible partie de protons (environ 2,5% au niveau de la mer). La figure suivante issu d’un article de 1940 illustre ce fait en publiant l’interaction d’ un proton arrivant en haut d’une chambre à brouillard et ayant déjà traversé 15 cm de plomb. La chambre contient d’autres plaques de plomb (7 cm au total), ce qui représente une épaisseur totale de plomb traversée de 22 cm.

L’expansion de la chambre était déclenché grâce à deux compteurs en coïncidence. En traversant la deuxième plaque, la particule dévie de 25° et ralentie laissant dans le troisième compartiment une trace 4 fois plus dense que le minimum d’ionisation. La particule à encore suffisamment d’énergie pour traverser 1 cm de plomb en laissant une trace large et dense caractéristique d’un proton de basse énergie. Le proton fini par s’échapper de la chambre après être passé dans l’ombre en bordure de la paroi de la chambre. D’après les auteurs, le proton à une énergie de 280 MeV dans le premier compartiment, 256 MeV après le premier écran et 87 MeV dans le troisième. Un proton capable de traverser 15+7 cm de plomb correspond à une énergie initiale d’au moins 500 MeV.

Plus de détails sur la méthode d’identification : Supposons que la particule est un proton. Dans le 3 éme compartiment, la densité d’ionisation est 4 fois le minimum d’ionisation soit 4*2,5 keV/cm=10 keV/cm (ou 0,01 MeV/cm). Sur la courbe du dE/dx, une perte linéique de 0,01 MeV/cm pour un proton correspond à une énergie cinétique d’environ 100 MeV, proche de la valeur fourni par les auteurs.  Si la particule serait un muon, une perte linéique de 0,01 MeV/cm correspondrait à une énergie de 10 MeV (10⁷ eV).  Et dans le cas d’un électron, l’énergie cinétique dans le 3 éme compartiment serait de 100 keV…

Ces particules doivent encore traverser 1 cm de plomb ! Les tables de parcours donnent qu’un proton de 100 MeV peut encore traverser 1,4 cm de plomb, un muon de 10 MeV 1,3 mm tandis qu’un électron de 100 keV est stoppé dans 40 μm de plomb. On observe que la particule à réussi à traverser le dernier écran de 1 cm : il s’agit donc bien d’un proton. Les auteurs précisent que l’énergie du proton avant de traverser la dernière plaque de plomb est de 87 MeV. Quel est la perte d’énergie linéique dans le plomb à cette énergie ? On se rend sur le programme pstar du NIST. On spécifie le matériau traversé soit du plomb et on clique « submit ». Pour une énergie de 85 MeV, on relève la valeur du pouvoir d’arrêt « Stopping Power » en MeV. cm²/g . Cette valeur est de 3,974 [MeV. cm²/g]. On multiplie par la densité du plomb pour obtenir la perte d’énergie linéique de la particule dans le plomb avec une énergie initiale de 85 MeV : 3,974 [MeV. cm²/g]  x 11,34 [g/cm³ ]= 45 MeV/cm.

En traversant 1 cm de plomb, la particule perd 45 MeV. Il lui reste donc après sa traversée 87-45= 42 MeV d’énergie cinétique, lui permettant de parcourir encore une vingtaine de mètre dans l’air (dans le cas de la photo, le proton s’échappe de la chambre par le bas).

Utiliser le pouvoir d’arrêt pour calculer la perte d’énergie linéique est une grosse approximation si l’épaisseur de matériau traversé est importante. En effet le pouvoir d’arrêt n’est pas constant et varie en fonction de l’énergie de la particule comme vue avec la formule de Bethe. Il est préférable d’utiliser le parcours « CSDA » en g/cm² qui intègre toutes les valeurs du pouvoir d’arrêt suivant les énergies. D’après le programme Pstar du Nist pour du plomb, un proton de 90 MeV à un parcours de 13,8 g/cm² soit un parcours de 13,8/11,34= 1,21 cm dans du plomb. L’épaisseur de plomb réellement traversée dans l’expérience est de 1 cm. Dans les tables de valeurs on trouve l’énergie d’un proton pour une valeur de CSDA correspondant à un parcours de 0,21 cm de plomb, soit 11,34 x 0,21 = 2,38 g/cm² ce qui correspond à une énergie E de 30 MeV. Ainsi, un proton de 90 MeV traversant 1 cm de plomb ressort avec une énergie de 30 MeV, valeur un peu éloigné des 42 MeV précédemment calculé. Le programme SRIM simule de la même manière le parcours des particules chargées dans la matière. En spécifiant un proton d’énergie initial de 87 MeV traversant une plaque de plomb de 1 cm puis une épaisseur d’air, la simulation donne un parcours total de 5,4 m. Ainsi on peut supposer d’après la photo dans la chambre à brouillard que le proton parcours encore 5,4 m après avoir traversé la dernière plaque de plomb.

Dans la suite de l’article les auteurs concluent que sur 4000 photographies montrant le passage d’une particule traversant les 15 cm de plomb et la chambre, une vingtaine ont montrés des ralentissements notable voir un arrêt de la particule dans la chambre. Sur ces 19 images, 3 photos ont permis d’identifier la particule ralentie à un proton. Observer des protons ou muons en dessous du minimum d’ionisation reste des observations rare compte tenu du momentum très souvent élevé de ces particules cosmiques. 

Par exemple, sur 10 543 photos réalisé à Pasadena (263 m) par Anderson en 1936 en 6 semaines, 11 ont montrés des rayonnements cosmiques très ionisant. La photo à gauche en est un exemple et montre un proton de 150 MeV (d’après son rayon de courbure dans un champ magnétique de 7900 gauss). Ce proton à été crée plus haut en altitude lors d’une interaction nucléaire avec un hadron (n,p,π,K,…). A 4300 m, Anderson précise que le nombre de traces très ionisante détectée est 12 fois plus importante qu’au niveau de la mer, la plupart correspondant à des protons provenant de spallation dans le gaz de la chambre ou d’une plaque de plomb traversant la chambre.

A droite, non corrélé à l’expérience de Anderson, la photo montre un proton issu du rayonnement cosmique à Pasadena (263 m). Le proton arrive par le haut avec un momentum de 225 MeV/c, traverse 2 cm d’aluminium et émerge avec un momentum de 95 MeV/c. La chambre à un diamètre de 15 cm.

 

 

Interactions nucléaires et production de nouvelles particules

En 1937 on observe dans des émulsions photographique la présente de « stars » prouvant que les rayonnements cosmiques sont capables d’induire des désintégrations. Dans une chambre à brouillard, une « star » est un groupe de particules très ionisantes provenant du même point d’origine provenant des parois de la chambre, de son gaz ou de tout matériau solide présent à l’intérieur. Un exemple est donné ci dessous, observé au Pic du Midi en 2012. 

Le phénomène des « stars » correspond à l’explosion d’un noyau (une spallation) par une particule incidente lourde (hadrons). Lorsque un noyau reçoit de l’énergie par une particule incidente via un choc physique ou via l’interaction d’un photon, celui ci va être excité dans de très haut niveaux d’énergies. La désexcitation du noyau va se traduire (en plus de l’émission de rayons γ)  :

• par l’émission de particules initialement contenu dans le noyau si l’énergie transmise au noyau n’est pas trop élevé c’est à dire pour des énergies transféré de l’ordre de 100 MeV. Le noyau se désexcite en « s’évaporant » c’est à dire en émettant des neutrons, protons ou de petits fragments nucléaires comme des deutons, tritons et particules alpha. Ces particules sont éjectés avec des énergies de quelques dizaines de MeV max. C’est ce qu’on observe probablement sur la photo précédente : des protons/deuton/triton de hautes énergies (les traces faiblement ionisante) ou de faible énergie (les traces plus prononcées) , des particules alpha… 
  

• par l’émission de nouvelles particules, crée à partir de l’énergie d’excitation. A des énergies de plusieurs centaines de MeV, des Pions π sont crées et si l’énergie augmente encore (GeV) des hadrons plus lourd sont émis comme les Kaons K, les Hypérons Λ, Σ ou Ξ…

Rossi précise que dans la majorité des photographies montrant des stars initiés par des rayonnements cosmique la particule incidente est souvent de nature non ionisante. Il convient de s’intéresser à la nature des particules pouvant réaliser des interactions nucléaire.

Les particules composant le rayonnement cosmique au niveau de la mer et sous des altitudes modérée sont des leptons (electron, muon) des rayonnements électromagnétique et des hadrons (neutron, proton et dans une moindre proportion des pions). Toutes ces particules sont capable de réaliser une interaction nucléaire si elles disposent de suffisamment d’énergie et si les sections efficace d’interaction ne sont pas infinitésimale.

Les hadrons, constitué de quark, sont soumis à l’interaction forte. Ils pourront très facilement interagir par collision directe avec les noyaux et faire des spallations.

Les rayonnements électromagnétiques sont capables de réaliser des interactions nucléaire comme décrit dans la page dédié aux réactions photonucléaire, si les énergies seuils sont suffisante (inférieur à une centaine de MeV). Ces énergies sont facilement atteinte pour des rayons gamma de nature cosmique.

Les leptons, particules élémentaires, ne sont soumis qu’a l’interaction faible. Il ne réagiront pas, ou infinitésimalement, avec des noyaux. Cependant nous avons vu que les interactions nucléaire des muons étaient extrêmement rare mais néanmoins possible.

G.Rochester donne les explications suivantes concernant les événements observé dans la photo ci contre. L’étoile contient au moins 9 branches de particules très ionisante dont une branche à été identifié à un proton de 500 MeV/c. Il peut s’agir de la désintégration d’un noyau d’Argon par une particule non identifié. L’énergie totale de la star est d’environ 500 MeV. La cascade électromagnétique peut provenir de l’interaction d’un muon d’énergie suffisante ayant fait du Bremsstrahlung, ou de mésons π⁰ provenant d’une précédente interaction avec un nucléon. L’abondance de muon possédant une énergie suffisante est probablement de 10³ à 10⁴ supérieur à celle des nucléons. Cependant il est plus probable qu’une large fraction de l’énergie d’un nucléon apparaissent sous la forme d’une cascade (par l’intermédiaire de l’émission de π⁰) que le ferait un muon avec une interaction électromagnétique. Concernant la possibilité que la star puisse être formé par une réaction photonucléaire par un gamma, cette probabilité est très faible étant donné le haut degré d’excitation de l’étoile. L’étoile pourrait avoir été crée par un nucléon ayant emporté une grande partie d’énergie lors d’une première interaction avec un nucléon énergétique sur la paroi de la chambre.

Image à gauche : Une particule incidente de haute énergie produit une désintégration dans une plaque de plomb de 0.35 cm. Les trois particules éjectées ionisent beaucoup plus que des électrons rapide et sont probablement des protons.

Image à droite : Une courte et dense particule incidente éjecte de la plaque de plomb un proton (trace courte et très dense) coïncident au même moment de l’apparition de la gerbe électronique.

Image à gauche : Un proton et un électron éjecté d’un point de la plaque de plomb par une particule neutre incidente. La trace du proton, d’énergie faible comme en témoigne sa densité d’ionisation est déformé par la turbulence du gaz dans la chambre. L’énergie de l’électron dépasse 240 MeV. La particule incidente peut être soit un photon ou un neutron, mais le fait que l’électron reçoive le plus d’énergie cinétique tends à favoriser le photon.

Image à droite : Une désintégration produit par une particule neutre à lieu sur la plaque de plomb où 6 particules sont éjectées. La particule incidente (neutron, photon) peut provenir de la gerbe électronique apparaissant au même moment que la désintégration. La particule avec la plus grande densité d’ionisation, peut être un proton ou un noyau lourd, le rayon de courbure favorisant la dernière possibilité. La particule partant vers la droite peut être un électron ou un proton rapide. Les 4 particules inférieures sont positives mais n’ionisent pas assez pour correspondre à des protons par rapport aux rayons de courbures observés. Si ce sont des positons, les énergies sont 105, 250, 500 et 60 MeV. L’énergie totale des 6 particules est supérieure à 1 GeV. This disintegration in which all the ejected particles are probably positively charged represents a process fundamentally different from the usual electron shower ; it shows that charge has been removed from the nucleus and made to appear in the form of light particles.

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Caractéristiques des Hadrons crées dans les interactions nucléaires 

Les mésons pions π

Il existe des pions chargés (π^+/-) et neutre. Ce dernier se désintègre quasiment instantanément et majoritairement en émettant deux rayonnements gamma pouvant initier des cascades électromagnétiques. Un pion est seulement 1,3 fois plus lourd qu’un muon. Cette particule est majoritairement produite dans les réactions de spallations de hautes énergies.

Dans l’hydrogène, l’énergie seuil de création de pions à partir de proton est de 293 MeV, avec une énergie cinétique E_π pour le pion de 11 MeV. Dans des matériaux plus lourd comme le carbone, cette énergie seuil est plus faible, des protons de 200 MeV suffisent à créer des pions. Il est aussi possible de créer des pions à partir de photons très énergétique : dans l’hydrogène, l’énergie seuil de création est de 152 MeV avec E_π =1,4 MeV.

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Image ci contre : ce cliché à été obtenu vers 1951 à environ 3000 m d’altitude dans une chambre contenant des écrans de 6 mm de plomb. Les auteurs ont observés une dizaine de cas où une particule entrait par le haut de la chambre, traversait plusieurs écrans en ralentissant avant d’être apparemment absorbé par un écran. De cet écran émerge une particule unique faiblement ionisante. La figure ci contre illustre une telle interaction où la particule légère traverse un peu moins de 3 cm de plomb. Si cette particule serait un électron, l’énergie minimum nécessaire pour traverser une telle épaisseur serait de 900 MeV (40 MeV de perte par collision et ~850 MeV par perte radiative). Il n’y a pas de multiplication dans les écrans traversés par la particule secondaire (pas de cascade électromagnétique). Cette particule n’est donc pas un électron pouvant provenir de la désintégration d’un muon.

Il est possible que la particule secondaire soit un muon issu de la désintégration d’un pion. Un muon de seulement 100 MeV peut traverser 5 cm de plomb.

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Les mésons Kaons K

Il existe des kaons chargés (K^+/-) et neutre. Les kaons neutres existent sous deux formes, S pour Short et L pour Long caractérisant leurs demi-vies.

C’est le physicien Français Leprince Ringuet en 1944 qui est le premier à observer dans une chambre à brouillard un K⁺ . Le protocole, était le suivant : A 1000 m d’altitude, 10.000 clichés de trajectoires cosmiques ont été réalisés dans une chambre de Wilson de 75 cm de hauteur et commandées par compteurs. Avant de traverser la chambre, le flux cosmique était filtré par 10 cm de plomb. Le champ magnétique était de 2500 Gauss. La méthode permettant l’identification de la masse d’une particule incidente repose sur la mesure des angles de courbure lors d’un événement particulier : la particule primaire, chargée, doit collisionner avec uu électron du gaz et l’éjecter. Les mesures du rayon de courbure de la particule primaire (celle dont on cherche à déterminer la masse) et de la particule secondaire (l’électron éjecté) permet (à l’aide d’abaques) de remonter à la masse de la particule primaire. Si la courbure du primaire est trop faible pour être mesurée (par exemple pour une particule trés rapide et lourde n’étant donc que trés peu déviée  par le champ magnétique), cette méthode n’est pas applicable. Enfin, elle suppose que la collision est élastique entre la particule incidente et l’électron. Sur toutes les photoraphies prises en 1943, 1 seule à permis d’appliquer la méthode et d’identifier une nouvelle particule d’une masse de 506 MeV/c². 

 

Les hypérons Lambda Λ

Il existe plusieurs formes de Lambda par rapport à la nature des quarks qui les composent. On ne s’intéressera qu’a la particule Lambda neutre Λ⁰ portant un quark strange et découverte en 1950 dans une chambre à brouillard.

π^– particles can produce λ⁰ when they interact with a nuclei, even if their kinetic energy is insufficient to provide the rest-mass of the lambda. The reaction is in the form of π^– + p → λ⁰+ K⁰. But sometimes, the λ⁰ is not always the immediate result of the interaction between π^– particles and nucleons. A more massive particle (Sigma) is created which immediately transforms with the reaction Σ⁺ → λ⁰ + γ. 

Click here for the story of strange particles

The picture below (1954) was taken in an Ilford G5 emulsion and show three example of the decay of low energy λ⁰ particles into a proton and a pion. The two particle have a wide angle between them because the λ⁰ have a low kinetic energy (explanation here).

 

 Gerbes pénétrantes

Au début des années 1940 on constata que certaines photos dans des chambres à brouillard montrait des groupes de particules au minimum d’ionisation, légère et monochargée. Ces particules divergeait d’un même point qui pouvait se situer en dehors de la chambre ou à l’intérieur de celle-ci lorsque de la matière était présente. Ces particules n’étaient pas des électrons car elles pouvaient traverser plusieurs dizaines de cm de plomb et faire des réactions nucléaires. Ces mystérieux groupes de particules étaient appelé « gerbes pénétrantes » à la différence des gerbes électromagnétique qui se développait rapidement dans des écrans. A la fin des années 40, on identifia que les gerbes pénétrantes étaient constituées de pions et protons crées dans des interactions nucléaires et en moindre proportion, par des muons.

La chambre mesure 50 x 40 cm et contient 16 écrans de plomb de 1,3 cm. Une particule probablement un proton, entre en haut de la chambre et fais une interaction nucléaire dans la deuxième plaque créant 4 particules pénétrantes et une composante électronique qui se développe en cascade à partir de la 3 éme plaque. Les 4 particules pénétrantes, dont 3 arrivent quasiment en bas de la chambre sans interagir dans les plaques de plomb sont très probablement des pions, produit dès la deuxième plaque de plomb. Si ces particules serait des électrons, on aurait du observer 4 cascades électromagnétique or ce n’est pas le cas. Ils pourraient s’agir de protons, mais les angles de diffusion élevée des 4 particules traversant les 14 plaques plomb indiquent qu’il s’agit de particules légères. A la 11 éme plaque, la particule pénétrante de gauche réalise une interaction nucléaire produisant une seule particule très ionisante absorbé dans la 12 éme plaque. On aurait pu penser que cette particule très ionisante correspondrait au pion très ralenti suite au passage des 11 écrans. Cette explication est moins probable car un pion arrivant à la fin de son parcours dans la 12 éme plaque aurait un momentum de 250 MeV/c à partir de la 7 éme plaque et aurait après cet écran un angle de diffusion de 4°, augmentant à 8° après la traversé de la 10 éme (une particule de moins en moins énergétique subit de plus en plus la diffusion multiple). Le faible angle de diffusion de cette particule sur son parcours conforte l’hypothèse que le pion réalise une interaction nucléaire dans la 11 éme plaque, créant la particule fortement chargée.

A partir de la troisième plaque, une gerbe électromagnétique se développe en étant intégralement absorbé au 6 éme écran. Cette gerbe à pour origine un photon ou un électron primaire avec une énergie d’environ 500 MeV. Au début des années 40 on remarqua sur les photos de chambre à brouillard que les interactions nucléaires étaient parfois accompagné de cascades électromagnétique pas forcément corrélé à l’endroit où l’interaction nucléaire avait eu lieu. En 1947 la découverte des pions (chargés) dans des émulsions photographiques à conduit à l’hypothèse qu’il devait exister des pions neutres beaucoup plus instable et se désintégrant en rayonnement gamma, capable de faire des cascades électromagnétique. La très petite demi vie du pion neutre fait que l’existence de cette particule ne fût confirmé qu’en 1949 en étudiant les énergies des rayonnements gamma émis par des pions crées par un faisceau de proton accéléré par un cyclotron sur une cible.

Interaction des particules pénétrantes

La photo montre une interaction nucléaire dans un écran de plomb de 3,5 mm. On peut distinguer dans la partie supérieure jusqu’à 5 particules au minimum d’ionisation et provenant de la même gerbe pénétrante. Une de ces particules réalise une interaction nucléaire sans que celle-ci ne change visiblement de direction après le choc.  Une création de paire est visible à l’extrême gauche, indiquant que la gerbe était accompagnée d’une composante électromagnétique. Il n’est pas possible d’établir clairement la nature de la particule à l’origine de l’interaction nucléaire. Il peut s’agir d’un proton ou d’un pion, mais pas d’un lepton (muon ou électron) la probabilité de réaliser ce genre d’interaction étant extrêmement faible. Lors d’une interaction nucléaire, la particule incidente n’est pas forcément absorbée par le noyau mais peut « ricocher » sur celui-ci en lui cédant suffisamment d’énergie pour que celui-ci se désintègre (voir le processus de fragmentation). Parmi les produits de la désintégration, la particule se déplaçant en bas vers la gauche est probablement un proton à 270 MeV/c. La particule se déplaçant vers la gauche en haut est aussi probablement un proton (s’il s’agissait de pions, leurs énergies seraient trop faible étant donné la grande densité d’ionisation des tracés. On observerait de plus de la diffusion multiple sur le parcours de ces particules or ce n’est pas le cas, indiquant qu’il s’agit de particules lourdes).

Photo de gauche : Une particule entre par le haut de l’image. Les auteurs estiment que la particule à un momentum supérieur à 10 GeV/c et qu’elle est chargée positivement. Une interaction à lieu dans la plaque de plomb de 3 cm d’épaisseur (diamètre de la chambre : 30 cm). Parmi les produits de l’interaction, on reconnait des électrons aisément déviés par le champ magnétique de 7500 gauss. Certaines particules sont projeté en arrière (haut de l’image) la particule ionisante inclinée est identifiable à un proton, la particule courbant étant un électron de faible énergie. Dans la direction de la particule incidente, après la plaque de plomb une dizaine de particules de grand momentum et au moins 7 électrons (note : le mot électron désigne implicitement aussi des positons) d’énergie d’environ 10 MeV sont identifiable. Toutes les particules pénétrante sauf une sont positives représentant un momentum globale de 10 GeV/c et correspondent à des protons (pour au moins deux d’entre elles) ou des pions. Les pions sont souvent émis dans un cône aigu formant une « shower » de particules pénétrante.

Photo de droite : La particule incidente est trop prêt du bord de la chambre pour pouvoir calculer son momentum. Les auteurs estime que la particule négative projeté en arrière par rapport au point d’interaction, ionisant 5 fois le minimum et de momentum 56 MeV/c est un pion (bien qu’il soit possible qu’il puisse s’agir d’un muon provenant de la  désintégration d’un pion ou d’un kaon). Les grosses traces blanches correspondent à des particules alpha du radon parasite, non contemporain aux interactions nucléaire (les ions ont le temps de diffuser avant la détente ce qui fait des tracés très étalés).

A gauche : Le déclenchement de la chambre se faisait par un système en coïncidence : 7 cm de plomb se trouve au dessus de la chambre, et 20 cm en dessous. Pour déclencher la chambre, il faut qu’une particule traverse les 7 cm de plomb, fasse une interaction, et qu’au moins 2 particules soient détecté après 20 cm de plomb sous la chambre. La plaque de plomb dans la chambre mesure 3 cm d’épaisseur, le champ magnétique est de 3400 gauss. Le point d’origine de l’interaction nucléaire à lieu dans l’écran à 0,9 cm à partir du bas de l’écran. Parmi les deux particules incidentes, une seule réalise une interaction nucléaire dans le plomb, l’autre est peu déviée de sa trajectoire. Dans les produits de la désintégration on identifie 2 particules très ionisantes se déplaçant vers la gauche avec une ionisation 10 fois supérieure au minimum. Il s’agit probablement de protons ou de noyaux. Une particule ionisant faiblement et se déplaçant vers la gauche avec un momentum de 24 MeV/c correspond probablement un électron. La particule se déplaçant verticalement et ionisant faiblement n’est pas identifiable mais il est peu probable qu’il s’agisse d’un électron. Enfin, sur la droite, une particule très ionisante, courbé par le champ magnétique, à un momentum de 22 MeV/c, avec une ionisation correspond à 7 fois le minimum. Un proton avec un rayon de courbure identique ioniserait 150 fois par rapport au minimum et aurait une portée de 0,5 cm (ici le tracé mesure environ 8 cm). Cette photo est une des premières à montrer clairement la production de pion dans les interactions nucléaire. Le tracé correspond probablement à un pion, mais il peut aussi s’agir d’un muon issu d’une désintégration pionique ou kaonique.

A droite : 5 cm de plomb était présent au dessus de la chambre (mais pas en dessous). Le champ magnétique était de 6900 gauss. Trois particules pénétrante presque parallèle (donc provenant de la même shower) atteignent la plaque de plomb de 3 cm. La particule à l’extrême gauche n’a pas interagi dans l’écran sans être visiblement déviée. La particule centrale est négative avec un momentum de 1,1 GeV/c en étant « diffusé » sous 12° après interaction dans l’écran. Elle émerge de l’écran accompagnée par une petite cascade de 3 particules d’environ 10 MeV correspondant à des électrons déviés suivant leur charge. La particule très ionisante se déplaçant en bas à gauche est positive de momentum 160 MeV/c et il est possible qu’il s’agisse d’un proton. La particule incidente à l’extrême droite au dessus de la plaque de plomb à un momentum de 4,5 Gev/c et émerge de l’écran après avoir été « diffusée » de 28°, la particule sous l’écran correspondant à un proton. Le terme diffusé est entre guillemet car bien que ce terme est usuellement utilisé pour décrire des événements dans lequel une particule entrant dans un écran en ressort sous un angle différent par rapport à sa direction initiale, il n’est pas clairement établi ici que la particule sortante est de même nature que celle entrante. Ces angles de diffusion sont trop élevée pour pouvoir être expliqué par la diffusion multiple (<2°) c’est pourquoi à l’origine, ce genre d’événement était qualifié de « diffusion anormale ». Sur 48 particules pénétrantes, on pouvait observer 5 cas de diffusion anormale. Ce genre d’interaction est à rapprocher avec l’image présenté lors de l’interaction nucléaire des muons : les auteurs de l’article présument fortement que ce type d’événement est dû à une diffusion inélastique d’un proton (ou pion) incident sur un noyau faisant une interaction nucléaire où les produits de la réaction sont tous absorbé dans l’écran, sauf pour une particule énergétique qui en émerge.

A gauche : Une particule de momentum 213 MeV/c passe à travers une plaque de platine (d=21.45) de 1 cm d’épaisseur et émerge avec un momentum de 190 Mev/c. La particule n’a pas la masse d’un proton car un proton de de 219 MeV/c de momentum aurait une énergie de seulement une vingtaine de MeV : il ne pourrait traverser la plaque de platine. De plus la densité d’ionisation de la trace, au minimum d’ionisation, ne correspond pas à un proton de 20 MeV. La particule incidente n’est pas un électron car il est très peu probable qu’un électron perde si peu d’énergie dans 1 cm de platine. Si la particule à une masse proche de celle d’un muon, l’énergie incidente serait de 134 MeV avec une énergie émergente de 113 MeV (perte de 21 MeV/c) et une ionisation spécifique du tracé inférieur à peu prés la même que celui d’un électron rapide (minimum d’ionisation) ce qui correspond à l’observation car d’après le rayon de courbure des particules, la perte d’énergie est de 219-190= 23 MeV/c aux erreurs prés.

A droite : Une particule pénétrante traverse la plaque de platine sans être déviée. Une gerbe de particules légère, 2 positons (déviés vers la droite) et un électron sont visible. L‘article donnent plus de précision sur le type de particules secondaire produites lors d’une interaction avec une particule pénétrante et un écran. Pour des particules incidente de 20-100 MeV il y a 4 fois plus de particule négative (électrons) produites que de positives. Cette différence provient de l’éjection par la particule incidente d’électrons atomique du matériau. Les particules positives (ici des positons) proviennent du Bremsstrahlung des électrons éjectés (création de paires).

A gauche : Deux particules traversent la plaque de platine. Celle de gauche à quasiment perdue l’intégralité de son énergie cinétique initiale (190 MeV). Le sens de déviation indique qu’il s’agit d’une particule négative soit un électron (E= 5 MeV) à son minimum d’ionisation. La particule de droite n’a subit quasiment aucune interaction, il s’agit d’une particule pénétrante qui à éjectée dans la paroi supérieure de la chambre un électron qui à perdu 98% de son énergie en traversant la plaque. Ce genre de cliché permet d’identifier les particules pénétrantes (muon, proton) des électrons alors que leurs traces avant interaction dans la plaque ont les mêmes densité d’ionisation.

A droite : Électrons et positons de hautes énergies incident de façon normale à la plaque de platine. La majorité de l’énergie est dégradé après traversée de la plaque sous forme de particules électroniques de plus faibles énergies.

A gauche : Un groupe de 3 particules incidente de momentum supérieur à 500 Mev/c produisent une shower d’une vingtaine de particules électronique après interaction dans la plaque de platine.

A droite : Un groupe de 3 particules incidente collimatée produisent une cascade de particule électronique après la plaque de platine. Juste à gauche du groupe principal de particules secondaires, une seconde shower est présente vraisemblablement créee par un photon accompagnant les 3 particules incidentes. Avant la plaque, on peut observer à l’extrême droite 2 particules pénétrantes (des muons) qui n’interagissent pas dans la plaque. Ces 2 particules et les 3 autres créant la cascade, proviennent d’une même cascade dont l’origine est éloignée de la chambre à expansion.

A gauche : 5 cm de plomb était présent au dessus de la chambre (mais pas en dessous), le champ magnétique était de 7100 gauss. 5 particules positive arrivent sur la plaque de plomb presque de façon parallèle. De gauche à droite les momentum sont de 0,7 ; 7 ; 8,5 ; 2,3 et 1,7 GeV/c. Il est d’une probabilité négligeable que ces particules soient des électrons. 4 des cinq particules sont absorbées par l’écran.

A droite : Cette fois ci, 25 cm de plomb était présent au dessus de la chambre, supprimant toutes composantes électroniques. Par rapport à la photo de gauche, 8 particules traversent l’écran sans interactions. La matière étant essentiellement constitué de « vide », les interactions nucléaire restent des phénomènes rare. Brode et Starr en 1937 ont réalisé au niveau de la mer dans une chambre à brouillard en coïncidence 20 500 photographies sur lesquels 215 traces très ionisantes ont pu être photographiées, avec 10 photos montrant des interactions nucléaires sur les parois de la chambre ou dans des écrans placés à l’intérieur de celle ci.

A gauche : On distingue 3 particules pénétrantes qui entrent dans la chambre (par le haut). Une de ces particules, à droite au milieu de la chambre produit une star dans la deuxième plaque de plomb de 1,4 cm. La star est composée de 4 particules très ionisantes et d’au moins 9 particules faiblement ionisantes. Une des particules très ionisante traverse 4 plaques avant d’être stoppée dans un dernier écran de carbone. Par rapport à sa portée et au degré de diffusion (scattering) cette particule est identifiée à un méson pion. Les autres particules très ionisantes sont probablement des protons issu de l’évaporation du noyau avec des énergies allant de quelques Mev à 50 MeV, tandis que les particules faiblement ionisantes sont probablement des pions et protons rapides. Sur la plaque du milieu, la plus fine (1,5 mm de Plomb), à l’extrême droite, une petite cascade électronique constituée de 3 particules est présente, formé par un photon. L’axe de direction de propagation de cette cascade faiblement énergétique marque probablement la direction d’émission d’un pion neutre produit dans l’interaction nucléaire.

A droite : Une cascade incidente arrive tout en haut de la chambre. 4 particules pénétrantes traversent la chambre sans subir d’interaction comme on peut le voir au milieu à droite, et peut être plus dans la partie centrale de la photographie. La majeur partie de la cascade est absorbé dans le premier écran de plomb de 1,4 cm . A l’issu de cet écran une cascade électromagnétique est produite mais est rapidement stoppé dans les écrans suivant. A partir du deuxième écran de plomb, une interaction nucléaire à donné naissance à au moins 8 particules très ionisante et 5 particules faiblement ionisante. Le pouvoir d’arrêt de la chambre après les deux premières plaque de plomb est faible (9 g.cm^-2 soit environ 8 mm de plomb) ce qui indique que les particules traversant toutes les plaques (alternance de plaque de plomb et de carbone) n’ont pas nécessairement une très grande énergie.

Cette photo à été prise au niveau de la mer dans une chambre carré de 50 cm et profonde de 28 cm, contenant 8 plaques de plomb de 1,3 cm. Une particule incidente de haute énergie, probablement un proton traverse 4 écrans et réalise une interaction nucléaire dans le 5 éme, produisant des particules pénétrantes et des électrons. La particule s’échappant vers la gauche par rapport au point d’origine de l’événement et stoppé dans le 7 éme écran est probablement un proton d’environ 100 MeV. Entre la 6 éme et 7 éme plaque, l’apparence de ce tracé n’est pas familier car il devrait apparaître plus ionisant que dans la plaque précédente à mesure que la particule ralenti. Il semble que cette particule soit passée dans un endroit mal éclairé de la chambre. La seconde particule pénétrante, juste à droite du proton précédent, produit dans la 7 éme plaque une interaction nucléaire de faible énergie où les particules sont stoppées dans l’écran suivant. La particule pénétrante était au minimum d’ionisation et il n’est pas possible de déterminer s’il s’agissait d’un proton ou d’un pion. Les particules venant vers le bas et vers la droite du premier événement nucléaire sont majoritairement des électrons. A partir de la 6 éme plaque, ces particules sont répartis suivant 2 cascades distinctes qui se développe encore dans l’avant-dernière plaque. Les énergies des particules primaires ayant initié cette cascade est de l’ordre de 2 GeV. La photo ne permet pas de mettre en évidence le mécanisme à l’origine de la production de ces cascades suite à la première interaction nucléaire.

Cette photo à été prise à Echo Lake à 3027 m dans une chambre carré de 50 cm et profonde de 30 cm, contenant 7 écran de plomb de 6 mm et 6 plaques d’aluminium arrangées alternativement, les plaques supérieures et inférieures étant du plomb (l’utilisation d’écrans de densité différentes permettait de comparer les produits des interactions nucléaire). La chambre disposait d’un bouclier supérieur empêchant toute particule ionisante de pénétrer dans la chambre. Des compteurs Geiger en coïncidence était placé sous la chambre, avec 25 cm de plomb. La chambre se déclenchait lorsqu’une particule non ionisante pouvait entrer dans la chambre et lorsqu’au moins une particule capable de traverser 25 cm de plomb était produite dans la chambre. Dans l’une des plaques de plomb, une particule non ionisante, probablement un neutron, à réalisé une interaction nucléaire. Des particules lentes, dont trois particulièrement lourdes sont produites avec un grand nombre de particule moins ionisante projeté en avant. Parmi celle-ci un spray de 3 particules se déplaçant vers le bas à gauche traverse 2 plaques de plomb et sont probablement de nature non électronique (l’épaisseur des écrans de plomb est suffisante pour initier des cascades électromagnétique bien que l’absence de cascade ne soit pas une preuve absolu que les particules ne soient pas de nature électronique. Cependant, le comportement de ces 3 particules se comportant de la même manière dans les deux plaques renforce l’hypothèse qu’elles soient de nature non électronique). Directement sous l’axe où à eu lieu l’interaction nucléaire, 2 plaques plus bas, une cascade se développe verticalement sans que l’on soit certain de la nature particule qui l’a produite.

A gauche : La photographie à été faite avec un champ magnétique de 7500 gauss et sous 25 cm de paraffine (la paraffine C_nH_2n+2 avec n = 20 à 40 contient beaucoup de noyau d’hydrogène très efficace pour ralentir les neutrons).  La plaque de plomb à une épaisseur de 3,4 cm. Deux particules rapides entrent dans la partie supérieure de la chambre. Celle de gauche, positive avec un momentum de 1,5 GeV/c, donne une cascade de 5 électrons peu énergétique, la particule primaire est donc sans doute un électron (positon). La particule primaire à droite à un momentum mesuré de 6 GeV/c bien que les auteurs suspectent que celui-ci soit plus élevé le momentum maximal mesurable par le dispositif étant de 8 GeV/c. La particule donne naissance à une très large cascade électronique où une particule pénétrante non électronique négative et de 800 Mev/c est produite. La flèche jaune indique la direction de cette particule qui semble avoir été produite à un point d’interaction 1 cm en bas du dessus de l’écran de plomb. La cascade électronique s’est donc développé dans environ 3 cm de plomb ou elle débouche de la plaque avec une centaine de particules. Ce degré de développement correspond à une particule primaire (photon ou électron) avec une énergie de l’ordre de 20 GeV.

A droite : 25 cm de plomb était disposé au dessus de la chambre, les particules produites entrent en haut à droite de l’image. Un groupe de 3 particules traverse la partie supérieure de la chambre de droite à gauche sans passer à travers la plaque de plomb. Un groupe de 4 particules pénétrantes traversent la plaque sans interagir. Les momentum et charges respectives sont de gauche à droite : (-) 1 GeV/c ; (-) 1,4 GeV/c ; (+) 1,9 GeV/c et (-) 2,1 GeV/c, ces particules sont probablement des pions étant donné que les particules sont contenu dans un cône étroit et qu’il n’y a pas eu d’interaction électromagnétique.

Cette photo à été obtenue au Pic du Midi à 2867 m vers 1950 avec un écran de plomb d’ 1 cm à travers la chambre. Une star, partiellement masqué par une particule alpha, est formée en haut de la chambre et comprend au moins 4 particules très ionisante et 13 particules faiblement ionisante. La particule primaire ayant réalisé l’interaction nucléaire semble neutre et est probablement associé avec la particule presque verticale ionisant au minimum (flèche jaune) et qui passe en dehors de la zone illuminée de la chambre près de la plaque. A gauche de la photo sous la plaque de plomb, 3 particules électroniques sont visibles, une paire est identifiable ainsi qu’un autre électron pouvant provenir d’une seconde paire dont une particule à été absorbée. L’axe de direction de propagation de cette cascade indique que les photons ayant produits ces électrons sont probablement issus d’un pion neutre produit dans l’interaction nucléaire.

 

Une gerbe électromagnétique est produite dans la partie inférieure de la photo après qu’une particule cosmique ait interagi dans un écran de plomb. A droite de la photo, une autre particule dont la direction est parallèle à la première particule est absorbée par l’écran. La nature des particules incidente n’est pas clairement identifié. Parmi les rayons secondaires de la gerbe on observe une trace courte et fortement ionisante où de l’extrémité part une particule de chargée négative avec une quantité de mouvement de 180 MeV/c (la particule se déplaçant de façon horizontale sur la photo). La conservation de la quantité de mouvement implique l’émission d’une particule neutre. La particule très ionisante est vraisemblablement un Kaon négatif se désintégrant en un pion neutre (invisible) et un pion négatif.

Cascade électromagnétique (Fretter, 1949) dans une chambre de 50 x 40 cm contenant 16 plaques de plomb de 1,3 cm. La cascade à une énergie estimée de 10 GeV, comprenant plus de 100 particules à son intensité maximum. A partir de la 8 éme plaque une star de faible énergie est présente. Il est supposé que cette spallation à eu lieu à la fin de la 8 éme plaque, ce qui à permis aux particules éjectés de faire leurs propres tracés, sans qu’elles ne soient absorbé par la plaque de plomb ce qui est souvent le cas dans la plupart des observations. La particule responsable de la spallation n’est pas identifié et l’auteur suppose que cet événement n’est pas lié à la cascade électromagnétique.

Les particules « étranges » : le Kaon et Lambda

Entre 1946 et 1947, Rochester et Butler construisirent une chambre à brouillard à Manchester (proche niveau de la mer) qui se déclenchait seulement lorsqu’une gerbe pénétrante était produite dans la chambre. Parmi les particules pénétrantes constituées de pions (découvert en 1947) et de proton énergétique, ils notèrent la présence de traces en « V ».

Ci-contre : première observation d’une particule « V » par Rochester à Manchester en 1946. A quelques mm sous la plaque de plomb, à droite, une trace en V est présente. Un examen stéréoscopique montra que ces deux particules avaient pour origine le même point. Le momentum de la trace supérieur est de 300 MeV/c , c’est une particule positive. La trace du dessous est une particule négative de momentum supérieur à 300 MeV/c. Que cet événement soit une paire électronique est exclu : avec de tel momentum l’angle de séparation des électrons serait de 0,1° or l’angle observé est ici de 67°. Cela pourrait être une star crée par une particule neutre, mais dans ce cas on observerait une trace du noyau de recul à l’apex or ce n’est pas le cas. Enfin, les lois de conservation du momentum exclu que cette événement soit la désintégration pion – muon ou muon – electron. Rochester et Butler proposèrent que cette trace était du à la désintégration d’une nouvelle particule neutre instable. Ils calculèrent que la masse de la particule responsable de cette trace avait une masse environ égale à 950 fois celle de l’électron (la moitié de la masse d’un proton). : il s’agit de la désintégration d’un Kaon neutre en une paire de pion chargée.

7 mois après leur découverte, le 13 mai 1947, Rochester et Butler découvrirent la désintégration d’une particule chargée qui avait une masse similaire à la particule neutre qui s’était désintégré sous la forme d’un V. Avec ces deux découvertes, Rochester et Butler ont trouvés les premiers exemples de désintégration des kaons neutres et des kaons chargés.  

 

 

 

Ces découvertes furent controversées étant donné la rareté de ces particules : 2 ans après l’observation de ces particules étranges aucun autre cas fût mis en évidence. Pour confirmer ces résultats, Rochester et Butler décidèrent d’aller au Pic du Midi à 2850 m, les gerbes pénétrantes étant plus fréquente en altitude qu’au niveau de la mer. Parallèlement, Carl Anderson avec E.Cowan au sommet de White Mountain en Californie reportèrent qu’ils obtenaient environ un « V » par jour, sur un total de 28, en donnant les mêmes conclusions que Rochester à savoir que les traces en V provenait de la désintégration de nouvelle particules neutre. Entre Juillet 1950 et Mars 1951, la chambre du Pic du Midi enregistra 10 000 photographies de gerbes pénétrantes. Parmi ces photos, 67 montrèrent des « V ». Sur ces 67 photos, 51 photos montraient des désintégrations de particules neutre alors que les 12 autres des désintégrations de particules chargées (K^+/-). Cependant sur les 51 photographies, 4 indiquèrent que la particule neutre qui se désintégrait en « V » était plus lourde qu’un proton : on découvrit la particule Lambda, se désintégrant en un proton et un pion négatif. Les Kaons et Lambda furent baptisés particules « étrange » car personne n’avait prédit leur existence (Yukawa avait prédit l’existence du pion en 1935). Ces particules, comme les pions, sont crées lors des collisions nucléaires avec des noyaux, les particules incidentes étant des protons ou des pions.

   

A gauche : A l’extrême droite une particule étrange se désintègre sous la forme d’un V caractéristique composé d’une particule positive très ionisante de 240 Mev/c et d’une particule négative moins ionisante de 250 MeV/c. La densité d’ionisation de la particule positive est estimée entre 8 et 12 fois le minimum. Un pion de même momentum ioniserait au minimum alors qu’un proton ioniserait 9 fois le minimum. Les auteurs concluent que la particule positive est donc un proton et que si la particule négative est un pion, la masse de la particule V est de 2280 m_e concordant avec la masse d’une particule Lambda.

A droite : Un autre exemple de désintégration en V où une particule secondaire est identifié à un proton, à l’extrême gauche de la photo. Son momentum est de 480 MeV/c tandis que la particule négative, un pion, à un momentum de 192 MeV/c. La densité d’ionisation est estimée entre 3 et 4 fois le minimum tandis que la particule négative laisse une trace au minimum d’ionisation. Il s’agit là aussi de la désintégration d’une particule Lambda.

Cette photographie à aussi été prise au Pic du Midi. La désintégration de la particule étrange à lieu 1,5 cm au dessus de la plaque de plomb de 5 mm cintré par 3,5 mm de bronze. L’apex est obscurci par un électron qui spirale sous le champ magnétique. Les deux particules de la désintégration traversent l’écran de plomb. La particule de gauche à un momentum de 1 GeV/c en ionisant au minimum. La particule de droite commence son parcours avec une densité d’ionisation supérieur au minimum et traverse la plaque de plomb avec un momentum de 78 MeV/c et une densité d’ionisation 3 à 4 fois le minimum. Après une déflexion de 23° dans le gaz, son momentum n’est plus que 61 MeV/c, avec une densité d’ionisation apparaissant comme inchangée. Cette particule est probablement un pion qui s’est désintégré en muon au point de « déflexion ». Les observations permettant de supporter cette hypothèses sont : 1) la densité d’ionisation au dessus et en dessous de la plaque sont concordante avec un pion, la densité d’ionisation après le point de déflexion correspondant bien à celui d’un muon à un momentum de 61 MeV/c. 2) L’angle entre les deux tracés au point d’inflexion est consistant avec une désintégration de type pion-muon, avec les momentum observés l’angle maximum possible est de 31°. 3) Si il s’agissait d’une diffusion inélastique sur un proton libre, le grand angle de diffusion aurait crée une trace de recul du proton de 1 cm de long or ce n’est pas ce que l’on observe.

A gauche : La particule V trouve son origine dans une interaction nucléaire au dessus de la chambre et se désintègre après avoir parcouru environ 1/3 de la chambre. Les momentum des particules secondaires sont de 1,6 GeV/c (positive) et 1,6 GeV/c (négative). L’angle de séparation est de 12°. Il s’agit très probablement de la désintégration d’un kaon neutre en une paire π⁺ π^–.

A droite : Une autre désintégration d’une particule étrange. L’angle de séparation est de 61° et les deux particules traversent les 2 cm de l’écran en plomb. Le momentum de la particule négative à gauche est de 320 MeV/c, elle est déviée d’environ 5° en passant dans l’écran. Le momentum de l’autre particule, positive, est supposé être supérieur à 500 MeV/c, l’angle de diffusion dans l’écran est de 15° ce qui est considérablement plus élevé que ce que prévoit la diffusion Coulombienne multiple (l’angle de diffusion maximum calculé est de 3°). Cette déflexion à sans doute eu lieu suite à une interaction nucléaire (diffusion inélastique) dans l’écran.

Ces deux photos montrent de façon remarquable que les particules étranges proviennent des interactions nucléaires. Elles ont été prise au niveau de la mer dans une chambre rectangulaire de 51 x 61 cm profonde de 23 cm. La plaque de plomb supérieure à une épaisseur de 1,3 cm, les autres plaques 0,6 cm. La distance entre les plaques est de 6,4 cm. A gauche, une interaction nucléaire typique à lieu dans la 4 éme plaque. Entre la 5 éme et 6 éme plaque, à gauche, une particule étrange se désintègre en un V caractéristique. Les deux particules sont au minimum d’ionisation. La particule de droite subit une déflection d’environ 10° dans la dernière plaque (peu visible), soit 5 fois plus élevé que l’angle prédit pour une diffusion Coulombienne multiple pour un pion au minimum d’ionisation, ou 30 fois plus important pour un proton. Une interaction nucléaire à donc eu lieu (diffusion inélastique).

A droite, un autre exemple de formation d’une particule V lors d’une interaction nucléaire de haute énergie produit dans la 4 éme plaque par une particule primaire au minimum d’ionisation. La trace en V est présente entre la 4 éme et 5 éme plaque, environ 2,5 cm en dessous du point où l’interaction nucléaire à eu lieu. Une des branches de la trace en V, celle de gauche, est au minimum d’ionisation et traverse les plaques 5 et 6 en subissant une interaction nucléaire dans la 6 éme plaque. L’autre particule de la trace en V montre une densité d’ionisation élevé, 5 à 6 fois le minimum et ne parvient pas à traverser la 5 éme plaque. Ni un proton ou un pion avec une vélocité correspondant à cette densité d’ionisation pourrait traverser cette plaque.

 

The Xi and Sigma Baryons

In 1952, a new particle is found at the Pic du Midi. It’s the Ξ^– (Xi^–) particle with a characteristic signature of  a »cascade particle » (1321 MeV/c²). It decays into Ξ^– =>Λ⁰ + π^–+ 65 MeV. The next picture represents two orthogonal projections of the event of 1952. AD is the Xi particle. It decay at D into a neutral lambda and a pion.  At F, the lambda decay characteristically into a pion and proton. 

A 1954 and 1955 article show cloud chamber pictures of the Xi.

In 1953, the year after the discovery of the xi, a group of Italian physicists (A.Bonetti) identified a new strange particle in emulsion exposed to cosmic rays, and a similar object was also observed in a cloud chamber by a team from Pasadena. The particle was positively charged, decayed to a proton, and analysis of the tracks showed that it was 30% heavier than the proton; as a result it became known at first as the ‘superproton’. It was the sigma Σ particle, after the ‘s’ of superproton which decayed into Σ⁺ → π⁰ + p.

 

The alternative mode Σ⁺ → π⁺ + n was also found in emulsion.

 

The next picture  shows the separate production and decay of both a positive and a negative sigma in a bubble chamber exposed to a beam of negative kaons. In the lower half of the photograph, one of the kaons collides with a proton in the bubble chamber liquid to produce a positive sigma (the short track) and a negative pion. This positive sigma takes a different decay path from that first noted by the Italians in 1953, transmuting to a positive pion and an invisible neutron. In the upper half of the photograph, another kaon interacts with a proton and produces a negative sigma, together with a negative pion and two positive pions. This sigma decays to a negative pion and another invisible neutron

 

In 1954, the cosmotron of Brookhaven demonstrated the existence of the Σ^– →  π^– + n with a diffusion cloud chamber.