Exposition aux rayons cosmiques
Une pluie de particules
Les particules en provenance du cosmos ont beaucoup voyagé pour atteindre la terre. Ce sont des particules stables : protons, noyaux légers ou encore gamma, électrons. Quand elles possèdent beaucoup d’énergie, elles génèrent une gerbe de particules par une cascade de collisions et de désintégrations. Certaine particules comme les mésons sont très éphémères. D’autres comme les muons sont assez pénétrantes et vivent assez longtemps pour atteindre le sol. Les désintégrations en cascades produisent des neutrinos.
© IN2P3
La Terre est en permanence bombardée par des particules de très haute énergie en provenance de l’espace galactique et extragalactique. Ces rayons cosmiques ont des origines et des énergies diverses.
Ils proviennent principalement du soleil, de l’explosion d’étoiles (supernovae), de pulsars ou de phénomènes du lointain cosmos. Quand les rayons cosmiques primaires entrent en collision avec les noyaux de l’atmosphère, ils produisent une cascade de particules secondaires. Une partie des particules secondaires produites dans les gerbes cosmiques atteignent le niveau du sol.
Notre corps est traversé par des centaines de particules chargées ou neutres par seconde. Parmi les particules chargées, se trouvent des muons, des particules instables parentes de l’électron, capables de longs parcours dans l’atmosphère. S’y ajoutent les 65 milliards de neutrinos par cm2 qui nous traversent chaque seconde comme si nous étions transparents. Les neutrinos interagissent si peu que sur 100 000 milliards de neutrinos en provenance du soleil qui traversent la Terre, moins de un neutrino sera arrêté ou interagira !
Effets de l’altitude
L’exposition aux rayons cosmiques, mesurée par le débit de dose, croit avec l’altitude. Le débit de dose est ici mesuré en microsieverts par heure (un microsievert ou millième de millisievert). A titre d’indication la dose d’exposition moyenne à la radioactivité naturelle est de 2 400 microsieverts par an.
© IRSN
Toutes ces particules – gamma, muons, electrons, neutrinos constituent une source de rayonnement. Le flux de ces particules cosmiques (hors neutrinos) est en France de 240 par m2 et par seconde au niveau du sol. L’intensité de ce flux et du rayonnement cosmique croît avec l’altitude, l’effet protecteur de l’atmosphère diminuant quand on s’élève.
L’atmosphère joue le rôle de bouclier vis à vis du rayonnement cosmique : l’exposition double à 1500 m par rapport au niveau de la mer et augmente plus encore lors d’un voyage à haute altitude.
Les plus hauts débits de dose de rayons cosmiques sont reçus par les cosmonautes lors des vols spatiaux (1 mSv par jour). Lors d’un voyage en avion à une altitude de 8000 mètres, la dose reçue est près de 100 fois plus grande qu’au niveau de la mer. Même si cette dose reste peu importante (le passager d’un vol Londres New York reçoit une dose de 0,032 mSv, l’équivalent d’une radiographie dentaire panoramique), cela mérite une surveillance pour les voyageurs réguliers et les équipages aériens.
Même sans prendre l’avion, nous recevons des doses qui dépendent beaucoup de l’endroit où nous nous trouvons. Dans les premiers kilomètres de l’atmosphère, le taux de radiation double tous les 1500 mètres. Ainsi, les Indiens des Andes et les Tibétains de l’Himalaya reçoivent une exposition au rayonnement cosmique quatre fois supérieure à celle de Paris, Londres ou New-York.
De grands télescopes dans le désert de Namibie
Les rayons cosmiques frappent la Terre de nuit comme de jour, mais pour observer le fugitif éclair de lumière Cherenkov déclenché par une gerbe cosmique, il faut s’éloigner de toute installation humaine, attendre la nuit et éviter la lune. Ce grand télescope de l’expérience HESS, se prépare alors que le soleil se couche sur la savane d’un plateau de Namibie, à enregistrer des données.
© HESS/LPNHE
L’exposition annuelle au niveau de la mer correspond à une dose de 0,27 mSv. Ceci tient compte de la protection limitée des bâtiments. L’exposition d’un individu dépend de l’altitude à laquelle il vit et de la fréquence de ses voyages aériens. L’exposition moyenne en France est d’environ 0,30 mSv.
Enfin, le bombardement des atomes de l’atmosphère produit une petite quantité d’éléments radioactifs. C’est ainsi que du carbone radioactif, le carbone-14, est généré lors d’un interaction d’un neutron d’une gerbe cosmique avec un noyau d’atome d’azote de l’air.
Des particules cosmiques de très haute énergie
Des particules de très haute énergie en provenance de notre galaxie et de galaxies lointaines atteignent la Terre. Elles sont étudiées par des expériences au sol ou embarquées sur des satellites. Quand elles frappent les couches supérieures de l’atmosphère, elles génèrent des gerbes cosmiques. Même si ces gerbes n’ont pas l’ampleur de celle dessinée par l’artiste, leur détection au sol nécessite des dispositifs occupant une surface considérable comme ceux de l’expérience HESS.
© Cosmic rays – 100 years of discovery
Etude des rayonnements cosmiques et Astroparticules
L’origine des rayons cosmiques a été l’objet de multiples recherches depuis leur découverte en 1912 par Victor Hess. Aujourd’hui, l’étude des gerbes cosmiques de très haute énergie fournit de précieuses informations sur l’orgine des particules en provenance de notre galaxie ou de galaxies plus lointaines, crées et accélérées lors des phénomènes les plus violents de l’Univers et qui nous parviennent parfois au terme d’un voyage de plusieurs milliards d’années. Tel est l’objet de la science des astroparticules, une nouvelle discipline de l’astronomie en plein développement depuis quelques années.
Voir aussi :
Radioéléments cosmogéniques
Radioactivité en vol
100 years of discovery : vidéo de la BBC
Astronomie Gamma