Mécanique Quantique : rayons cosmiques et radioactivité naturelle

[invite44531521]

Bonjour,

Dans le domaine de l'optique, compter des photons un à un n'est qu'à la portée de laboratoires équipés de matériel coûteux et de haute technologie, et cette approche directe de phénomènes quantiques est donc inaccessible à tout un chacun.

La réflexion est la suivante :

Les petits compteurs Geiger-Muller en vente libre, ont la capacité de "compter" (entre autres) les photons gamma, majoritaires au niveau du sol, par successions de cascades (collisions de protons de haute énergie, hadrons, électrons, positrons, muons...).
A noter que les effets de la radioactivité naturelle est plus importante que celle des rayons cosmiques à l'altitude 0, mais négligeons son influence pour l'instant.

Question : La "mesure" individuelle d'une particule alpha, beta +/-, gamma... ou d'un muon (j'ignore si ces derniers sont détectables par un compteur G-M..), se situe-t'elle dans un cadre quantique ou dans un cadre classique ?

Je m'explique :

Beaucoup de ces particules "interagissent" continuellement avec l'environnement (atmosphère), et on ne devrait plus pouvoir les considérer dans un "état quantique" ==> statut classique de simples gouttes de pluie au parcours "déterminé".

J'ai tout de même des doutes pour certaines parties du spectre (suffisamment peu interactives ?), et dont on pourrait considérer qu'il n'y a pas de "trajectoire" proprement dite ; donc, dans ce cas précis :

La mesure lèverait l'indétermination au sens du principe d'indétermination de Heisenberg...(?)
Cette approche est-elle réaliste en ce qui concerne la majorité des rayons cosmiques mesurés au sol avec un simple G-M ?

Merci d'avance pour l'intérêt que vous porterez à la question.
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[invite07941352]

Bonjour,
Je ne comprends pas très bien votre question , par contre :

les rayons cosmiques au sol , sont le résultat de collisions de particules avec les noyaux de l'atmosphère à environ 15 km d'altitude .
Les particules initiales sont majoritairement des protons possédant une vitesse proche de celle de la lumière .
Un seul proton peut créer des millions , voir des milliards de particules secondaires arrivées au sol .
Conclusion : au sol , vous ne détecterez jamais le proton incident origine .

[invite44531521]

Bonjour catmandou,

Pardon, je me suis mal exprimé.

Un seul proton peut créer des millions , voir des milliards de particules secondaires arrivées au sol .
Conclusion : au sol , vous ne détecterez jamais le proton incident origine .

J'entends bien (du moins très très rarement et sans distinction aucune avec mon petit G-M concernant les protons de très très haute énergie).

Ma question est d'ordre théorique :

La (les) mesure(s) proprement dite(s) est (sont)-elle à ranger dans le cadre des mesures réduisant le paquet d'onde d'une onde de probabilité incidente, ou s'agit-il d'une mesure "classique" (une balle de tennis en interaction avec l'atmosphère avec une trajectoire définie).

[invite44531521]

D'un côté, je peux comprendre que ce ne soit pas très important pour quelqu'un qui manipule ce genre d'appareil, à première vue.

En fait, si je pose la question, c'est que de la réponse, dépendent beaucoup mes réflexions sur ce point précis, et l'intérêt (ou pas) d'imaginer certains protocoles d'expérience peut-être assez originaux pour justifier l'acquisition d'un petit compteur, et tester quelques "trucs".

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

Salut,

Une mesure, c'est une mesure. C'est juste un appareil qui fait bip ou pas ou qui indique un chiffre sur un écran. Ce n'est ni une réduction de paquet d'ondes ni une balle de tennis avec trajectoire définie. Ca c'est les théories utilisées qui sont comme ça.

[invite44531521]

Salut Deedee81,

C'est juste un appareil qui fait bip ou pas ou qui indique un chiffre sur un écran.

Je suis bien conscient de cela. J'ai même déjà eu l'occasion d'en manipuler un à une époque. (c'était un modèle "Quartex", bon marché jadis..et qui est remplacé par un modèle plus cher aujourd'hui..pour ça que je me tâte).
On pouvait aussi se procurer une micro-pastille à base de Césium pour des "tests" mais apparemment ça ne se fait plus..(normes de santé publique oblige..)
Mais pour le moment, ce n'est pas le problème, c'est juste un détail.

Ce n'est ni une réduction de paquet d'ondes ni une balle de tennis avec trajectoire définie. Ca c'est les théories utilisées qui sont comme ça.

C'est bien l'aspect théorique qui m'intéresse ! (le côté "pratique" n'est pas important pour l'instant)

Entre temps, quelques petites recherches m'ont amené à tirer quelques premières "conclusions", mais j'aimerais avoir ton avis justement :

• Concernant toutes les particules massives (rayonnements alpha, beta, les muons..), il semble que des évènements se produisent tout le long de la trajectoire, créant un "freinage", à cause de la charge, et de proche en proche du début à la fin.

• Par contre, concernant les photons gamma, (masse et charge nulles) il ne semble y avoir aucune interaction avant l'absorption (effet photo-électrique, Compton, ou création de paires).

Ma question : Suis-je en droit d'affirmer que dans le cas du photon gamma, celui-ci se trouve dans un état indéterminé (au sens de Heisenberg) avant sa capture ? (contrairement aux autres particules citées auparavant).

J'insiste bien sur l'aspect théorique (en pratique, je suis bien conscient d'être limité )

[invite07941352]

Re,
Oui, les photons ne sont pas déviés par les champs magnétiques , ils sont donc des messagers utiles du rayonnement cosmique .
Jusqu'à 10^11 eV , ils sont étudiés par des observatoires en orbite , par exemple télescope Fermi : https://fr.wikipedia.org/wiki/Fermi_...pace_Telescope .
A plus haute énergie , comme les flux sont plus faibles , les surfaces de détection sont telles que l'on doit mettre le matériel au sol ,
c'est le cas du télescope HESS : https://fr.wikipedia.org/wiki/High_E...oscopic_System
qui comporte 4 miroirs de 12m de diamètre espacés de 120 m . Pour la discrimination des gammas , ils sont détectés par effet " Cerenkov " .
Mais c'est seulement au dessus de 10^19 eV que l'on considère qu'ils ont voyagé en ligne droite :
Ils sont si peu probables qu'ils nécessitent des surfaces énormes de détection .
Observatoire Pierre Auger : 3000 km2 , 1600 cuves eau https://fr.wikipedia.org/wiki/Observatoire_Pierre-Auger
69 évènements détectés sur l'année 2010 !!!
Ce n'est qu' un court résumé des observations actuelles .

[invite44531521]

Merci catmandou pour ce concentré d'informations, en particulier pour la méthode discrimination des gammas.
Je viens de regarder les liens en diagonale, et de les placer en favoris pour une lecture plus approfondie ce soir, mais je crains de ne pas trouver la réponse à la question qui me tourmente.

Mais c'est seulement au dessus de 10^19 eV que l'on considère qu'ils ont voyagé en ligne droite :
Ils sont si peu probables qu'ils nécessitent des surfaces énormes de détection

Je sais qu'à cette énergie, les mesures gamma sont excessivement rares. (il faut associer exposition durable et grande surface + discrimination)

Le cas (plus fréquent) qui m'intéresse est celui d'un rayon gamma secondaire (qui voyage aussi en ligne droite si je ne m'abuse), et qui aurait parcouru une distance plus faible entre sa création et son absorption.
Un autre cas intéressant aussi étant les rayons gamma issus (au moins indirectement) de roches granitiques et ne parcourant que quelques mètres.

[invite07941352]

Re,
Alors , autrement dit , votre premier problème , c'est parcours des gammas dans l'air , réponse simple , ici :
http://www.laradioactivite.com/site/...tion_Gamma.htm

La moitié d'une population interagit tous les 90 m . Il faut voir l'énergie considérée .

Je vais vous trouver la même chose pour un matériau voisin d'une roche ...

[invite07941352]

Re,
Pour les roches admettons des gammas de 1 MeV :
1 cm de plomb ou 10 cm d'eau arrêtent la moitié de la population .

[invite44531521]

Bonsoir catmandou,

Re,
Alors , autrement dit , votre premier problème , c'est parcours des gammas dans l'air , réponse simple , ici :
http://www.laradioactivite.com/site/...tion_Gamma.htm

La moitié d'une population interagit tous les 90 m . Il faut voir l'énergie considérée .

Je vais vous trouver la même chose pour un matériau voisin d'une roche ...

Merci pour ce lien, ces données sont très instructives numériquement !
Je n'avais que quelques données "qualitatives" éparpillées par ci par là, pour l'atténuation dans l'air.

Pour la radioactivité naturelle des roches, j'ai trouvé ceci : http://www.laradioactivite.com/site/...oNaturelle.htm

La radioactivité naturelle des roches
On retrouve la plupart des éléments radioactifs naturels dans les roches. Cet extrait de la carte des noyaux montre la succession de désintégrations radioactives qui va de l'uranium-238 jusqu'au radon. Les descendants de l'uranium-238, présents à l'état de traces dans ces minerais, émettent des rayons alpha et bêta qui restent prisonniers des roches, alors que les rayons gamma s'en échappent. Le sixième descendant de l’uranium, le radon, est un gaz. Une partie s’échappe du sol, relâchant de la radioactivité dans l'atmosphère.
IN2P3

A noter qu'ici, l'énergie des rayons gamma est peut-être (mais pas trop) un peu éloignée du MeV, mais j'imagine qu'à quelques cm d'un échantillon de roche, il ne doit pas en manquer beaucoup.

Reste à savoir si on peut considérer tout ça comme des sources de photons uniques, tels que décrits par la Mécanique Quantique. Je dirais que oui...

De l'échantillon par exemple jusqu'au compteur, je ne vois pas d'interaction susceptible de provoquer un effondrement du paquet d'onde, et dans ce cas, mon photon est dans un état "indéterminé" avant la mesure (contrairement aux muons provenant des gerbes en altitude, qui sont aussi très nombreux au sol, mais qui eux ont une trajectoire "classique").

C'est ma conclusion, mais je me préfère plusieurs avis.
Encore merci pour ta participation !

[invite07941352]

Re,
On suppose que vous travaillez dans les meilleures conditions possibles ;
Si vous avez une source mono énergétique gamma ( elles existent ) , mince , vous allez avoir émissions de gammas à l'énergie caractéristique ,
mélangés inévitablement à des diffusions Compton dans la source elle-même .
On visualise ceci en spectrométrie gamma , mais il ne faut pas oublier que les phénomènes qui se passent dans le détecteur se passe aussi dans la source ;
http://www.nucleide.org/Gamma_spectro/Spectro_gamma.htm

Dans le cas d'un échantillon de roches plus massif , vous avez un mélange des émissions multi énergétiques des Uranium , des Thorium , leur descendants , du Potassium40 ,
et inévitablement un bruit de fond Compton plus élevé ( relativement au premier cas ) .
Voila "un spectre " gamma type de roches .
https://www.researchgate.net/figure/...-the-island-of
On ne parle pas des gammas absorbés dans la source , ils existent , mais on les voit pas .
Bien remarquer que l'ordonnée est en log ,effet Compton ...

[coussin]

Votre question porte sur les relations d'Heisenberg appliquées à des photons (gamma, mais peu importe).
On peut en discuter mais ça ne va peut-être pas vous plaire. C'est assez éloigné de l'idée d'une "petite bille localisée" que vous semblez entretenir
Vous pouvez décrire un photon par une onde plane. La relation delta x delta p est saturée avec un p connu exactement et donc un photon complètement délocalisé.
Vous pouvez décrire un photon par une onde sphérique, ce qui colle le plus à la réalité (les processus de diffusion donne des ondes sphériques). Auquel cas, le photon est quelque part dans une coquille sphérique de 4pi stéradian. Où il est dans cette coquille dépend de l'onde partielle (s, p, d, etc...).
Pour localiser spatialement un photon, faut jouer avec la relation d'Heisenberg. C'est le paquet d'onde plane dans lequel le p n'est plus infiniment bien défini et donc restreint le delta x ou, pour les ondes sphériques, c'est une combinaison linéaire de pleins d'ondes partielles qui localisent une direction theta, phi.

Pour votre problème : le plus réaliste, il me semble, est de dire que le photon gamma est créée par un processus de diffusion entre un rayon cosmique et l'atmosphère. Suite à ce processus de diffusion, ce photon est dans une superposition d'ondes sphériques. Faudrait calculer le "diagramme de rayonnement" de ce processus de diffusion pour avoir une idée de la localisation angulaire. Mais peu importe : imaginez l'angle solide de votre compteur Geiger que vous tenez dans vos mains par rapport à la haute atmosphère. Cet angle est ridiculeusement petit. Si vous détectez un photon gamma avec votre compteur Geiger, ça correspond, à mon avis, à un processus de collapse parce que le photon, avant la détection, était quelque part dans une immense coquille sphérique centrée sur la haute atmosphère.

Qu'en pensent les autres, plus spécialistes que moi ?

[invite44531521]

On suppose que vous travaillez dans les meilleures conditions possibles

Je me place évidemment dans un cas idéal, car c'est bien l'aspect théorique qui m'intéresse, au delà de sa faisabilité en pratique.
Merci pour ce complément d'information, mais malheureusement, ça ne répond toujours pas à ma question.
Surtout ne te vexes pas, c'est moi qui aie souvent un mal fou à traduire ce qui me tracasse avec des mots !

Votre question porte sur les relations d'Heisenberg appliquées à des photons (gamma, mais peu importe).
On peut en discuter mais ça ne va peut-être pas vous plaire. C'est assez éloigné de l'idée d'une "petite bille localisée" que vous semblez entretenir
Vous pouvez décrire un photon par une onde plane. La relation delta x delta p est saturée avec un p connu exactement et donc un photon complètement délocalisé.

C'est précisément de cette question dont je voulais discuter !
Et comment, que ça me plait !

J'ignore quelle partie de mes interventions laisse à penser que je considère le photon gamma comme une bille localisée, (classique) puisque j'attends justement depuis le début du fil une intervention visant à étudier l'aspect quantique du phénomène, et donc savoir si l'on est en droit de parler d'un photon délocalisé !
Bon, j'ai eu raison d'insister, et je suis heureux de constater que quelqu'un ait tendance à penser la même chose que moi !

Vous pouvez décrire un photon par une onde sphérique, ce qui colle le plus à la réalité (les processus de diffusion donne des ondes sphériques). Auquel cas, le photon est quelque part dans une coquille sphérique de 4pi stéradian. Où il est dans cette coquille dépend de l'onde partielle (s, p, d, etc...).
Pour localiser spatialement un photon, faut jouer avec la relation d'Heisenberg. C'est le paquet d'onde plane dans lequel le p n'est plus infiniment bien défini et donc restreint le delta x ou, pour les ondes sphériques, c'est une combinaison linéaire de pleins d'ondes partielles qui localisent une direction theta, phi.

C'est ce type d'explication que j'attendais !

Pour votre problème : le plus réaliste, il me semble, est de dire que le photon gamma est créée par un processus de diffusion entre un rayon cosmique et l'atmosphère. Suite à ce processus de diffusion, ce photon est dans une superposition d'ondes sphériques.

Justement, je me demandais si l'on pouvait considérer les choses de cette façon, (pour le gamma) à savoir si d'autres phénomènes (interactions, bruit..) ne venaient pas détruire cette superposition.
Par exemple, pour les particules chargées telles que alpha, beta, les muons..qui sont en perpétuelle interaction avec l'environnement, on ne peut pas, à cause de la "fuite" d'information).

Faudrait calculer le "diagramme de rayonnement" de ce processus de diffusion pour avoir une idée de la localisation angulaire. Mais peu importe : imaginez l'angle solide de votre compteur Geiger que vous tenez dans vos mains par rapport à la haute atmosphère. Cet angle est ridiculeusement petit. Si vous détectez un photon gamma avec votre compteur Geiger, ça correspond, à mon avis, à un processus de collapse parce que le photon, avant la détection, était quelque part dans une immense coquille sphérique centrée sur la haute atmosphère.

Justement, la localisation angulaire dont vous parlez fait-elle état d'un angle solide considérablement plus grand que celui (ridiculement petit) dont dispose mon compteur par rapport au point d'impact en haute atmosphère d'où il est issu ?
Ce serait la bonne question !

Merci pour tous ces éclaircissements, en attendant d'autres confirmations de cette étude déjà bien détaillée !

[invite44531521]

[EDIT] une analyse du même type serait intéressante aussi pour un minerai radioactif (émissions gamma) posé à proximité du compteur

[coussin]

Vous vous demandez si l'on est en droit de parler d'un photon délocalisé. En fait, un photon ne peut pas être localisé.
Par exemple : http://journals.aps.org/pra/abstract...RevA.79.032112

[invite44531521]

Vous vous demandez si l'on est en droit de parler d'un photon délocalisé. En fait, un photon ne peut pas être localisé.
Par exemple : http://journals.aps.org/pra/abstract...RevA.79.032112

Voilà qui devient vraiment intéressant ! (2009 !)

En fait, je réfléchis depuis un bon moment déjà aujourd'hui, à ce qu'on pourrait imaginer comme protocole (pédagogique), qui mette en évidence les propriétés exclusivement quantiques des particules, et ce avec des moyens expérimentaux accessibles : à l'aide de photons uniques, par exemple !

Comme je le soulignais dans mon premier post, c'est impossible en dehors d'un bon labo pour le spectre visible.
(sauf dans des pubs de mauvais goût pour smartphones sur le net )

C'est pour cette raison que j'ai pensé à la radioactivité et au compteur G-M (j'ai laissé tomber la chambre à étincelles)

Le problème est le "contrôle" de ces émissions (en dehors d'un écran adapté et de la mobilité de la source...)
Je réfléchis encore à ce qui peut être exploité dans le processus !

[invite44531521]

Si je m'intéresse uniquement aux photons gamma, je suis confronté à une "pollution" essentiellement composée de muons, dans la gerbe atmosphérique.

Je vois plusieurs solutions :

• Prendre en compte de pourcentage de "parasites" (tout ce qui n'est pas gamma) et soustraire ce pourcentage aux statistiques

• Noyer ces parasites (env 1/s/dm²) dans un bain de photons gammas (un peu) plus conséquent, en utilisant de bons minerais radioactifs en bonne quantité et quelques écrans adaptés pour arrêter les particules alpha et beta

• Installer ma tente au beau milieu du tunnel du Mont Blanc

Pour l'exploitation des données, l'idéal serait un petit réseau de quelques G-M associé à un programme destiné à gérer les coïncidences entre un photon gamma, et sous-produits corrélés (émissions beta par exemple).

A noter que les G-M les moins chers ne détectent pas les particules alpha, car pour se faire, le tube doit posséder une "fenêtre spéciale" non opaque à ces derniers facilement absorbés (ce qui les rend plus chers).