Traduit par Maurice A. Casimir.
On considère souvent la physique des particules comme le fief d’énormes instituts de recherche, hors de portée du grand public. Francisco Barradas-Solas et Paloma Alameda-Meléndez montrent comment – à l’aide d’un détecteur de particules ‘maison’ – vous pouvez mettre à mal ce mythe en mettant la physique des particules à la disposition des salles de classe.
source de polonium émettent
dans le centre d’une chambre
de Wilson à sensibilité
continue sous forme d’une
image en forme de fleur. Les
particules sont rendues
visibles au moyen de vapeur
d’alcool diffusant d’une zone
à la température ambiante
vers une zone à -78°C. Cette
photographie a été prise en
1957. Cliquer sur l’image
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Image dans le domaine public;
image source: Wikimedia
Commons
Le but de la physique des particules élémentaires est de découvrir les éléments fondamentaux dont toute chose est constituée et d’étudier leur comportement. Bien que ceci puisse être considéré comme une pierre angulaire de la science, la physique des particules est souvent négligée ou mal comprise dans les établissements d’enseignement, en partie parce qu’elle est perçue comme sans relation avec le quotidien du monde qui nous entoure. Cependant, les physiciens des particules détectent et quantifient chaque jour électrons, photons et muons de manière aussi confiante que celle avec laquelle nous ‘détectons’ des vaches, des tables ou des aéroplanes.
En outre, des détecteurs de particules (comme les scanners pour tomographie à émission de positons [PET scan]) sont utilisés de façon routinière en médecine nucléaire par exemple pour détecter des tumeurs et contrôler les fonctions des organes internes
Nous montrons ci-après comment donner vie à la physique des particules en salle de classe, en utilisant les possibilités du type le plus simple de détecteur de particules: une chambre de Wilson (ou à brouillard) à diffusion à sensibilité continue. Cette version ‘maison’ consiste tout simplement en un aquarium étanche plein d’air et de vapeur d’alcool, refroidi à très basse température, et pouvant être utilisé pour détecter des particules chargées, en particulier des muons de rayons cosmiques, s’ils ont suffisamment d’énergie.
Les particules élémentaires sont les éléments les plus simples dont tout découle. Elles ne sont pas, seulement les éléments fondamentaux de la matière et des radiations, mais donnent également naissance aux interactions entre celles-ci (pour plus de détails sur les particules élémentaires, voir Landua & Rau, 2008). Ces particules possèdent de l’énergie et un moment, et un détecteur peut donc les déceler. Strictement parlant, vous ne pouvez voir aucune particule directement – en fait, on déduit leur passage à travers un détecteur par les effets induits, comme l’ionisation (pour des particules chargées). C’est précisément ce nous faisons lorsque nous observons la traînée de condensation laissée dans le ciel par un aéroplane que nous ne pouvons voir – et ce que nous pouvons faire avec notre chambre de Wilson ‘maison’.
Wilson à diffusion à
sensibilité continue
Illustration reproduite avec
l’aimable autorisation de
Francisco Barradas Solas
La chambre de Wilson est à la base un recipient étanche rempli d’une atmosphère mixte d’air et de vapeur d’alcool. L’alcool liquide s’évapore d’un réservoir et diffuse dans l’air du sommet au fond de la chambre. Le refroidissement du fond à la neige carbonique (du dioxyde de carbone solide restant à la température constante d’environ -79°C pendant sa sublimation) crée un fort gradient de température vertical, si bien qu’il se forme une zone de vapeur d’alcool sursaturée près du fond. Cette couche sensible est instable, avec trop de vapeur d’alcool très froide pour son équilibre. Le processus de condensation de la vapeur en liquide peut être déclenché par le passage d’une particule chargée ayant suffisamment d’énergie pour ioniser les atomes sur son passage. Ces ions constituent les noyaux de condensation autour desquels les gouttelettes de liquide se forment en une traînée.
This cloud chamber is basically an airtight container filled with a mixed atmosphere of air and alcohol vapour. Liquid alcohol evaporates from a reservoir and diffuses through the air from the top to the bottom of the chamber. Cooling the base with dry ice (solid carbon dioxide, which is at a constant temperature of around –79 ºC while it sublimates) results in a strong vertical temperature gradient, so that a zone with supersaturated alcohol vapour forms close to the bottom. This sensitive layer is unstable, with more very cold alcohol vapour than it can hold. The process of condensation of vapour into liquid can be triggered by the passage of a charged particle with enough energy to ionise atoms in its path. These ions are the condensation nuclei around which liquid droplets form to make a trail.
chambre de Wilson. Cliquer
sur l’image pour l’agrandir
Illustration reproduite avec
l’aimable autorisation de
Francisco Barradas Solas
l’image pour l’agrandir
Illustration préparée par
Alberto Izquierdo ; reproduite
avec l’aimable autorisation de
Francisco Barradas Sola.
ionisante dans une chambre
de Wilson (épaisses et
courtes : particules alpha ;
longues et fines : particules
béta)
Illustration reproduite avec
l’aimable autorisation de
Bionerd; image source:
Wikimedia Commons
Bien que toute particule chargée disposant d’assez d’énergie, par exemple celles de la radioactivité ambiante, puisse laisser une traînée dans la chambre, la majorité de celles-ci proviendra de rayons cosmiques secondaires: des particules créées lorsque d’autres particules (la plupart du temps des protons) venant de l’espace sidéral frappent la stratosphère. Les rayons cosmiques secondaires voyagent à une vitesse proche de la vitesse de la lumière et sont absorbées par l’atmosphère ou se désintègrent dans leur vol, donnant naissance à de nouvelles particules incluant des muons, qui peuvent atteindre la surface de la Terre est sont facilement détectées. Les muons sont des particule sélémentaires chargées très semblables aux électrons excepté par leur masse (qui est deux cents fois plus grande).
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Illustration préparée par
Alberto Izquierdo; reproduite
avec l’aimable autorisation de
Francisco Barradas Solas
Pour rendre la chambre vraiment utile, on ne peut se limiter à la montrer et à décrire son fonctionnement. Pour venir en appui aux explications, nous avons préparé une bande dessinée simple et courtew1 (voir ci-après) montrant comment fonctionne la chambre et illustrant l’origine et la composition des rayons cosmiques à travers l’histoire d’un proton cosmique et de ses descendants.
Nous utilisons cette chambre en enseignement secondaire avec nos élèves âgé de 12 à 16 ans dans le cadre d’une tentative destinée à le saider à voir des particules en tant qu’objets physiques réels. Voir les traînées visibles laissées par des particules invisibles et les comparer à celles laissées par des moteurs à réaction (dans lesquels une physique très semblable est impliquée) est la première étape d’un processus que nous poursuivons en introduisant des données et des images réelles concernant la physique des hautes énergies dans des exercices et des questions par ailleurs au programmew2, w3 (Cid, 2005; Cid & Ramón, 2009) et que nous concluons avec un autre détecteur pour l’enseignement plus compliqué: un détecteur de rayons cosmiques à scintillation qui permet aux élèves d’enregistrer et étudier des données par eux-mêmes (Barradas-Solas, 2007).
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Tirée de la bande dessinée sur
la chambre de Wilson;
illustration reproduite avec
l’aimable autorisation de
Paloma Alameda-Meléndez
Les auteurs aimeraient remercier le Dr Eleanor Hayes, Rédacteur en Chef de Science in School pour son aide à la mise en forme finale du présent article.