Diffusion élastique entre deux protons

Cette interaction, très rare, observée dans une chambre à brouillard à air (type V2) au niveau de la mer (+65 m) montre un angle de 90° entre deux particules (l’appareil photo étant incliné par rapport au plan de la surface, l’angle n’est pas tout à fait droit), signifiant qu’il s’agit d’une collision élastique entre deux particules de même masse (on suppose que la vitesse du proton (en rouge) est faible et dans ce cas m1=m2)

Un proton du rayonnement cosmique (il s’agit d’un proton secondaire crée localement au niveau de la mer) interagit dans la paroi en verre de la chambre et éjecte un autre proton (flèche jaune et rouge sur la photo). La densité d’ionisation indique qu’il ne s’agit pas de particules alpha, ni d’électrons, la chambre étant soumis à un champ magnétique, ces derniers auraient été déviés. Il ne peut s’agit de muon car leur vitesse relativiste ne laisse que des traces faiblement ionisé. Il s’agit bien de protons de quelques MeV, subissant des diffusions multiples (car les tracés ne sont pas parfaitement droit). L’un des deux protons (en rouge), collisionne avec un atome d’hydrogène contenu soit dans une molécule d’eau (H2O) ou d’alcool (C3H8O). Le proton incident étant de faible énergie, on peut considérer que sa masse est égale à celle de repos, comme celle du noyau d’hydrogène. Dans ce cas, la mécanique des collisions élastique indique que l’angle de déviation entre les deux particules doit être de 90°, emportant chacun la moitié de l’énergie cinétique du proton incident.

L’angle n’est ici pas parfaitement de 90° car l’appareil photo n’est pas positionné perpendiculairement au plan d’interaction, sur le dessus de la chambre. L’appareil étant incliné à environ 45° par rapport à la surface d’interaction, l’angle de 90° entre les deux protons apparaît plus élevée.

pp

Proton elastique

L’interprétation phyisque de cet événement à été fourni par Jasper Kirkby de l’expérience CLOUD du CERN, dont le but est d’étudier l’influence du rayonnement cosmique sur le climat par la formation d’aérosol dans l’atmosphère :