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

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’…

Des rayons alpha d’une
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
pour l’agrandir

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.

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

Esquisse d’une chambre de
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.

Assemblage et fonctionnement

Matériaux

Coupe transversale de la
chambre de Wilson. Cliquer
sur l’image pour l’agrandir

Illustration reproduite avec
l’aimable autorisation de
Francisco Barradas Solas
  • 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
La chambre. Cliquer sur
l’image pour l’agrandir

Illustration préparée par
Alberto Izquierdo ; reproduite
avec l’aimable autorisation de
Francisco Barradas Sola.

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.
Traînées de radiation
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).

Que peut-on réaliser avec la chambre?

Rayons cosmiques. Cliquer
sur l’image pour l’agrandir

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).

Cliquer sur l’image pour
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Tirée de la bande dessinée sur
la chambre de Wilson;
illustration reproduite avec
l’aimable autorisation de
Paloma Alameda-Meléndez

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.

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References

Web References

  • w1 – La bande dessinée (en anglais et en espagnol) et des instructions d’assemblage complètes spnt disponible ssur notre site Internet: http://palmera.pntic.mec.es/~fbarrada/cc_supp_mat.html
  • w2 – Voir par exemple les informations introductives concernant le LHC et les calculs physiques simples qui sont effectués avec tous les accélérateurs de particules (La physique au LHC) sur le site ‘Regarder le LHC de plus près’: http://www.lhc-closer.es
  • w3 – Le site du CERN pour les enseignants du secondaire (http://teachers.web.cern.ch) inclut également une galerie d’images prises dans une chambre à bulles qui va parfaitement bien avec notre projet. Voir le lien direct: http://tinyurl.com/yfbv8ls

Resources

  • Pour de brèves vues d’ensemble simples de la physique des particules destinées au grand public, voir:
    • Close FE (2004) Particle Physics: A Very Short Introduction. Oxford, UK: Oxford University Press. ISBN: 9780192804341
    • La visite interactive en ligne du Laboratoire National de Berkeley, ‘The Particle Adventure: the Fundamentals of Matter and Force’: www.particleadventure.org
    • Le centre virtuel de visite du Laboratoire National de l’Accélérateur de Stanford SLAC (en particulier les sections sur la théorie, les détecteurs et le srayons cosmiques): www2.slac.stanford.edu/vvc
    • Le site Internet du CERN: http://public.web.cern.ch/public/en/Research/Detector-en.html
  • Pour une discussion sur la manière dont seront traités par le Large Hadron Collider du CERN quelques uns des gros problèmes en physique des particules, voir:
  • Pour des entrées en matière plus détaillées et cependant accessibles destinées à des lecteurs de formation scientifique et non rebutés par un peu de mathématiques, nous recommandons:
    • Barnett RM et al. (2000) The Charm of Strange Quarks: Mysteries and Revolutions of Particle Physics. New York, NY, USA: AIP Press. ISBN: 0387988971
    • Treiman SB (1999) The Odd Quantum. Princeton, NJ, USA: Princeton University Press. ISBN: 0691009260
    • Le livre de Treiman est l’un des meilleurs pour commencer à surmonter les subtilités de la mécanique quantique en physique des particules (ce que nous avons évité dans le présnt article), comme l’inclusion des particules virtuelles et instables et la relation champ / particule.
    • Pour en savoir advantage sur les ryaons cosmiques, voir Cosmicopia de la NASA: http://helios.gsfc.nasa.gov/cosmic.html
    • Nous mêmes et beaucoup d’autres avons appris la manière de fabriquer des chambers de Wilson du site sur ce theme d’Andy Foland: www.lns.cornell.edu/~adf4/cloud.html
    • Le site Inernet du Museum d’Histoire Naturelle américain inclut une version illustrée des étapes principales de l’assemblage d’une chambre de Wilson: www.amnh.org/education/resources/rfl/web/einsteinguide/activities/cloud.html
    • Il n’est pas facile d’expliquer en détail les processus de la sursaturation et de la formation de traînées ou de justifier le choix d’une liquide actif (l’isopropanol dans notre cas), car cela dépend de façon compliquée – entre autres – des énergies d’ionisation, des tensions de vapeur, des vitesses de diffusion et des différentes techniques d’équipement de la chambre. Si vous désirez aller plus loin, voir la bibliographie supplémentaire sur le site Internet de notre chambre de Wison: http://palmera.pntic.mec.es/~fbarrada/cc_supp_mat.html
  • Pour un article dans Science in School décrivant la manière de mesure la radioactivité due aux emanations d eradon chez soi, voir:
    • Budinich M, Vascotto M (2010) L’étude en classe du Radon: La mesure de la radioactivité chez soi. Science in School 14. www.scienceinschool.org/2010/issue14/radon/french
    • Si vous avez apprécié l’ensemble d’articles sur les activités d’enseignement de ce numéro de Science in School, vous pourrez aimer naviguer dans notre collection d’articles sur des activités d’enseignement précédemment publiés. Voir: www.scienceinschool.org/teaching

Author(s)

Francisco Barradas a une licence de physique et enseigne la physique-chimie en enseignement secondaire, bien qu’il soit actuellement en congé, travaillant comme conseiller scientifique de la Direction Régionale de l’Education de Madrid, Espagne. Il est particulièrement intéressé par l’introduction de la physique des particules dans l’enseignement secondaire et a pris part à plusieurs programmes de formation pédagogique organisés par le CERN.

Paloma Alameda-Meléndez a une licence de chimie et enseigne la physique-chimie au Lycée de El Álamo, près de Madrid.


Review

Les rayons cosmiques consistent en particules subatomiques venant de l’espace et qui heurtent l’atmosphère terrestre en créant une pluie de particules secondaires que l’on peut étudier à la surface de la Terre. Les élèves de l’enseignement secondaire n’ont habituellement connaissance de ces particules que dans la littérature ou en les étudiant par simulation – bien que ces particules traversent constamment notre corps.

Ici, Francisco Barradas et Paloma Alameda-Meléndez présentent l’idée que les élèves peuvent utiliser des chambres de Wilson comme équipement expérimental, ce qui leur permet de mener leurs propres recherches sur les radiations. Ils fournissent également des détails sur la construction d’une chambre de Wilson, équipement pouvant être monté dans l’établissement sans trop de difficulté, en permettant ainsi aux élèves d’observer ces particules subatomiques en classe en rendant les traînées visibles.


Vangelis Koltsakis, Grèce




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CC-BY-NC-SA