Rendre la physique des particules vivante en construisant votre propre chambre à brouillard

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.

Particules élémentaires

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’.

La chambre de Wilson à diffusion à sensibilité continue

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.

Assemblage et fonctionnement

Matériaux

• St
• Récipient transparent aux parois lisses en plastique ou verre (par exemple aquarium) avec une base d’environ 30 cm x 20 cm et une hauteur d’environ 20 cm (on peut utilise d’autres dimensions, mais les effets peuvent varier)
• Feuille d’aluminium (d’environ 1 mm d’épaisseur, la même que celle de la base de l’aquarium)
• Plateau plat de surface un peu plus grande que l’aire de base de l’aquarium
• Deux lampes, dont l’une puissante
• Bande de feutre (d’environ 3 cm de large et suffisamment longue pour se fixer tout autour de l’intérieur de l’aquarium, donc d’un peu plus d’1 m de long)
• Colle (insoluble dans l’alcool)
• Bande isolante ou gaine noire
• Alcool isopropylique (isopropanol)
• Neige carbonique

Méthodologie

1. Encoller une bande de feutre (le réservoir d’alcool) autour de l’intérieur du fond de l’aquarium (le corps de la chambre de Wilson). On peut également coller un peu de feutre au fond du réservoir.
2. Couper la feuille d’aluminium de façon qu’elle s’adapte (d’aussi près que possible) au sommet de l’aquarium et recouvrir un côté de la feuille avec la bande isolante pour former une surface noire.
3. Humecter le feutre avec l’alcool isopropylique (mais pas au point qu’il suinte vers le fond de la chambre).
   N.B.: Faire ceci dans une pièce bien ventilée et se souvenir que l’alcool est inflammable.
4. Renverser l’aquarium sur la feuille d’aluminium. S’assurer que le côté noir de la feuille est tourné vers le haut (pour rendre les traînées de particules plus visibles).
5. Utiliser la bande isolante ou la gaine pour fixer la feuille d’aluminium au bord de l’aquarium, pour sceller la chambre de façon à la rendre étanche. C’est l’étape la plus critique qui doit être réalisée avec soin, car le joint deviendra humide et très froid durant le fonctionnement.
6. Etendre une couche plate de neige carbonique dans le plateau et poser la chambre au dessus, en s’assurant de l’horizontalité de la base. Pour assurer un bon contact thermique entre la plaque métallique et la neige carbonique, éviter les gros morceaux de neige carbonique: des plaques plates ou de la poudre sont idéales, mais on peut prendre de petits grains.
   N.B.: La neige carbonique est à environ -79°C et ne doit être manipulée qu’avec des gants épais.
7. Tenir le sommet de la chambre au chaud, par exemple en éclairant une lampe au dessus de lui. Eviter d’utiliser la chambre en environnement froid, car ceci pourrait empêcher l’établissement d’un gradient de température correct, empêchant de voir le straînées.
8. Laisser la chambre reposer pendant environ 10 minutes, jusqu’à l’établissement du gradient de température. Illuminer la chambre avec une lumière brillante sous angle faible, et regarder le fond de la chambre. On ne voit d’abord que la descente du brouillard d’alcool, mais des traînées de particules filiformes chargées apparaîtront graduellement alors que le brouillard se condense. Nota: les traînées sont plus visibles dans une salle sombre.

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).

Que peut-on réaliser avec la chambre?

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 courte^w1 (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 programme^{w2, 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).

Remerciements

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.