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DEVOIR MAISON 3 : RAYONNEMENT COSMIQUE
TS
À partr de vos connaissances et des documents, expliquer en une quinzaine de lignes en quoi l’etude des rayons
cosmiques a permis de faire avancer nos connaissances dans plusieurs domaines de la physique.
Document 1 : Compositon chimique du rayonnement cosmique
Le rayonnement cosmique est forme d’electrons, de positrons, et de noyaux d’atomes dont les electrons ont ete
arraches ; ces partcules ont des energies allant de quelques millions d’electronvolts a une centaine de milliards
de milliards d’electronvolts (10 20 eV). Les noyaux sont pour 90% des noyaux d’hydrogene (i.e. des protons), pour
9% des noyaux d’helium et pour le reste des noyaux de divers elements plus lourds.
Document 2 : Physique des partcules
La physique des partcules a pour objectf de connaitre les composants ultmes de la matere et les forces qui les
regissent. Ces objets ont vu leur existence prouvee a partr de la fn du XIX eme siecle ou l’on a mis en evidence la
realite des atomes, consideres alors comme les consttuants ultmes de la matere (du grec ancien atomos, « qui
ne peut etre divise »). Au debut du XX eme siecle, les decouvertes des electrons, des protons et de la radioactvite
ont rapidement montre que les atomes etaient eux-memes composes d’elements plus elementaires.
Actuellement, plusieurs centaines de partcules (neutrino, pion, kaon, muon,...) ont ete repertoriees, et sont
classees en trois grandes familles : les leptons, les baryons et les mesons. La plupart de ces partcules sont
instables et se desintegrent en des partcules plus legeres.
Document 3 : Le centenaire de la decouverte des rayons cosmiques
En 2012, on a fete le centenaire de la decouverte des rayons cosmiques par le physicien autrichien Victor Hess.
Ce rayonnement cosmique, compose de partcules ionisantes ateignant la haute atmosphere en provenance de
l’espace, fut mis en evidence le 17 avril 1912 au-dessus de l’actuelle Republique tcheque : Hess observa a l’aide
d’un ballon-sonde que l’ionisaton commencait par decroitre avec l’alttude, puis se metait a augmenter de
maniere importante jusqu’a 5300 m d’alttude (hauteur maximale ateinte alors par le ballon).
En 1932, Carl Anderson decouvrit l’ant-electron en observant les traces de rayons cosmiques laissees dans une
chambre a brouillard (chambre de detecton de Wilson), ce qui lui valut en 1936 le prix Nobel de physique
atribue par le comite Nobel, qui recompensa en meme temps Victor Hess.
En 1938, le physicien Pierre Auger a predit la producton de partcules secondaires sous forme de grandes gerbes
a partr d’une partcule primaire (rayon cosmique primaire) lors de collisions de cete partcule avec celles de la
haute atmosphere. Au debut des annees 1950, l’etude des rayons cosmiques a permis de decouvrir tout un
« zoo » de partcules : hyperons, pions, muons, kaons... partcules secondaires composant les grandes gerbes.
Dans les annees 1960, la compositon des rayons cosmiques primaires a ete determinee, metant en evidence la
presence de noyaux d’atomes plus lourds que l’hydrogene et l’helium. Ces etudes ont permis de faire de grandes
avancees en astrophysique, notamment concernant les phenomenes stellaires les plus violents (supernovas,
noyaux actfs de galaxies, trous noirs ...). Aujourd’hui, on arrive a determiner les proportons d’isotopes de
noyaux lourds dans le rayonnement cosmique, ce qui nous permet d’evaluer approximatvement leur
provenance (etoile, residu de supernova ...) et leur parcours dans l’espace.
Les collisions de partcules sont etudiees principalement grace a des accelerateurs de partcules geants comme le
LHC au CERN, mais l’etude des partcules les plus energetques ne peut se faire qu’en etudiant les rayons
cosmiques.
Document 4 : Informatons complementaires
Un positron, ou ant-electron, est la partcule d'ant-matere correspondant a l'electron. Il a la meme masse mais
une charge electrique opposee a celle de l'electron.
electron-volt (eV) : 1 eV = 1,60×10-19 J.