Qu’est-ce qu’une chambre à brouillard?
La chambre à brouillard, également connue sous le nom de chambre de Wilson, est un dispositif unique, présentant des traces invisibles de particules radioactives. C’est un outil unique approuvé pour l’enseignement, la démonstration et la vulgarisation de la physique des particules et du nucléaire.
Comment fonctionne la chambre à brouillard?
La théorie des chambres à brouillard chevauche la théorie des transitions de phase. L’invention elle-même de la chambre à brouillard est attribuée au physicien écossais Charles Wilson qui a étudié la formation du brouillard dans les chambres à brouillard à expansion (c’est-à-dire les chambres à brouillard qui conduisent à des conditions de condensation par expansion de gaz). La précipitation des gouttelettes de liquide à partir de la vapeur, nécessite deux conditions de base. Une pression de vapeur sursaturée à une pression et température donnée ainsi que des noyaux de condensation. Wilson a observé que, en plus de la poussière et d’autres particules solides, les ions pouvaient agir comme des noyaux de condensation. C´est ainsi que les fondements théoriques de la chambre à brouillard ont été posés.
Explication de la fonction de la chambre à brouillard
Les chambres à brouillard sont des appareils servant à afficher les particules de rayonnement ionisant. Ce rayonnement provient de la désintégration des matières radioactives. Cependant, les particules de rayonnement ionisant sont très petites et se déplacent à des vitesses élevées, elles sont donc inobservables à l’œil nu.
Les traces affichées apparaissent en raison de conditions spécifiques présentes à l’intérieur de la chambre à brouillard. Le principe de base est de créer des couches de vapeur d’alcool isopropylique saturée. La couche de vapeur saturée apparaît au-dessus de la plaque d’observation noire en créant un gradient de température. Pendant que la plaque d’observation est refroidie, la partie intérieure haute de la chambre à brouillard, dans la rainure, est chauffée avec de l’alcool isopropylique. L’alcool isopropylique chaud, qui s’évapore de la rainure, descend jusqu’à la plaque d’observation froide sur laquelle il forme une couche de vapeur saturée d’une épaisseur d’environ un centimètre.
Si une couche de vapeur d’alcool isopropylique saturée passe à travers une particule chargée électriquement, la trace la traversant apparaitra comme une trace blanche évidente. Les particules circulantes chargées provoquent l’ionisation des molécules d’alcool isopropylique qui agissent alors comme des noyaux de condensation. La trace blanche observée est donc un groupement de très petites gouttelettes d’alcool isopropylique formées par condensation soudaine.
La trace blanche de la particule contraste avec la surface d’observation noire et est donc visible à l’œil nu. Il n’y a pas deux traces qui sont identiques, elles diffèrent de telle manière que l’on peut tout simplement déterminer quelles sont les particules responsables d’une trace produite, ou même ses propriétés et sa source.
La création de traces blanches dans la chambre à brouillard peut être comparée aux traînées de brume blanche qui apparaissent dans le ciel après le passage d’un avion. Lorsqu’un avion vole à une hauteur suffisante là où de la vapeur d’eau saturée est présente, de la condensation se forme. Et sur ce même principe, des traces blanches apparaissent dans la chambre à brouillard.
La première chambre à brouillard a été inventée par le physicien écossais Charles Thomson Rees Wilson lorsque, en 1911, l’appareil a été lancé et a permis de réaliser la première observation, après presque vingt ans de développement.
En 1927, il a reçu le prix Nobel de physique pour avoir découvert le principe des trajectoires des particules chargées électriquement à l’aide de condensation de vapeur saturée.
La observación de los fenómenos y de partículas
Radioactivité
La radioactivité ou la désintégration radioactive est un phénomène qui transforme la structure interne des noyaux atomiques, souvent accompagné de rayonnements ionisants (alpha, bêta, gamma). La radioactivité est, à l’origine, un phénomène complètement naturel non causé par l’activité humaine. Les substances radioactives sont nombreuses dans le monde, elles sont présentes, par exemple, dans le minerai d’uranium ou dans les bananes ordinaires.
Nous pouvons nous imaginer la désintégration radioactive grâce à une simple comparaison. Imaginons une personne obèse. Cette condition est généralement contre nature pour l’individu qui souhaite s´en débarrasser, signifiant, par conséquent, une volonté de perdre du poids. Il utilisera le moyen le plus facile à cette fin, en retirant l’excès de matières grasses. Les noyaux atomiques trouvés dans un état non naturel bénéficient de la même motivation, par exemple, lorsqu’ils possèdent un nombre de neutrons élevé ou lorsqu’ils sont trop grands. Ces noyaux ont tendance à changer naturellement de structure, par exemple, en devenant plus petits par rayonnement de particules alpha (deux protons et deux neutrons) ou bien, ils convertissent un neutron en proton, tout en émettant un rayonnement d’électron (désintégration bêta moins).
Bien que la notion de radioactivité soit le plus souvent associée aux centrales nucléaires, leur part du rayonnement total radioactif, c’est-à-dire la dose de rayonnement normalement exposée à la Terre, est très faible par rapport au rayonnement radioactif naturel, même si l’on inclut les accidents nucléaires tels que la catastrophe de la centrale nucléaire de Tchernobyl en 1986 et celle de la centrale de Fukushima Daiichi en 2011.
La science de l’invisible
De nombreux concepts scientifiques sont très difficiles à comprendre. Certains sont difficiles d´un point de vue mathématique, d’autres le sont par leur complexité. Et d´autres encore, uniquement par leur taille. Molécules, atomes, particules subatomiques, tous forment un cadre de réflexion incroyablement précieux pour la science. Pourquoi le monde entier croit-il en quelque chose que nous ne pouvons jamais voir? Il existe d’innombrables preuves expérimentales qui confirment nos théories. Même si les particules du microcosme sont invisibles et difficiles à imaginer, de nombreuses preuves confirment leur existence. L’électricité, la radio, l’électronique, les produits pharmaceutiques et autres produits chimiques, les centrales nucléaires, et bien d’autres encore existent grâce au bien-fondé de ces théories. Le gros problème de la science du microcosme a toujours été la mise en image des particules. La méthode la plus célèbre d’imagerie des particules est la méthode d’imagerie de la chambre à brouillard. Dans celle-ci, même les plus petites particules élémentaires provoquent la précipitation de gouttelettes de liquide pour créer des traces facilement visibles. De nos jours, les chambres à brouillard en science ont été relayées par des appareils électroniques, mais en ce qui concerne l’expérience visuelle, elles restent irremplaçables.
PHÉNOMÈNES OBSERVABLES
BASIQUE
La particule Alpha
La particule alpha est composée de deux protons et de deux neutrons, il s’agit du noyau d’hélium. La particule alpha laisse des traces plus courtes, mais plus épaisses, dans la chambre à brouillard. L’émission de particules alpha est appelée rayonnement alpha. C’est le rayonnement le moins pénétrant puisque, par exemple, une feuille de papier ou juste quelques mètres d’air l’arrête. La source naturelle de rayonnement alpha est l’uranium, le radium ou encore le radon. L’isotope de radon 222 est connu pour sa capacité à s’accumuler dans les bâtiments, en se libérant naturellement de la croûte terrestre. Un exemple de source artificielle de rayonnement alpha est l’isotope américium 241 qui ne se produit pas naturellement.
L’électron
Les traces diverses, souvent fines et sinueuses ou fines et directes, appartiennent aux électrons. Le déplacement et la trajectoire de l’électron dépendent de son énergie. Alors que les électrons de haute énergie tracent leur chemin en ligne droite, les électrons de plus faible énergie changent de direction, en raison de leur collision avec les molécules d’alcool isopropylique. Les électrons, dans la chambre à brouillard, proviennent soit de désintégrations radioactives effectuées sur la Terre, soit dans le cadre d’un fond radioactif naturel, soit à partir du rayonnement cosmique secondaire. L’émission des électrons est appelée rayonnement bêta moins. Le rayonnement bêta est plus pénétrant que le rayonnement alpha, il peut être ombragé, par exemple, par une feuille de plomb de 1 mm d’épaisseur.
Le positron
Le positron est la première particule d’antimatière observée, elle est l’antiparticule de l’électron. Sa trace est identique à l’électron, il est possible de distinguer les traces de ces particules en plaçant la chambre à brouillard dans un champ magnétique, où les traces d’électrons et de positrons commencent à tourner dans des directions opposées. En effet, le positron a été vu pour la première fois en 1932 par Carl Anderson, qui a reçu le prix Nobel de physique pour cette découverte. Les positrons observés proviennent des rayons cosmiques ou de la désintégration radioactive naturelle sur Terre. L’émission de rayonnement de positrons est appelée rayonnement bêta plus. Un exemple de source radioactive naturelle d’émission de rayonnement bêta plus est le potassium 40, qui est contenu en grande quantité dans les bananes. La consommation d’une banane représente une dose correspondant à 1% de la dose quotidienne moyenne de radiation radioactive couramment appliquée aux humains. Nous pouvons également rencontrer des positrons en médecine, en particulier en tomographie par émission de positons (TEP). C’est une méthode d’imagerie qui affiche les tissus individuels. Cette méthode est basée sur l’interaction avec les produits radiopharmaceutiques administrés au patient. Un produit radiopharmaceutique est une source de rayonnement bêta plus, un émetteur de positrons. Les positrons circulants s’annihilent avec les électrons présents dans les atomes du corps. Le détecteur enregistre les photons émis par l’annihilation. Dans la chambre à brouillard, l’annihilation du positron et de l’électron peut y être détectée à partir de leurs traces.
Le proton
Les traces significatives, se croisant souvent sur toute la surface de la chambre à brouillard, appartiennent aux protons, les particules constituant les noyaux des atomes. Ces protons ont leur origine dans les rayons cosmiques. Des traces de protons peuvent laisser une trace à travers la zone d’observation, mais aussi une trace plus courte ou même un point, en fonction de l’angle par lequel le proton pénètre dans la chambre à brouillard. Les protons peuvent également être employés en médecine, en particulier, en radiothérapie. En protonthérapie, des protons accélérés sont utilisés pour irradier des tissus malades, respectivement des tumeurs et des carcinomes. La protonthérapie est un exemple d’utilisation du type de dispositif original de recherche pour une application particulière, les protons sont accélérés au moyen d’un accélérateur de particules (cyclotron).
RARE
Le muon
Les muons sont formés par l’interaction des rayons cosmiques avec l’atmosphère et pénètrent à la surface de la terre. Ils peuvent être aperçus, par exemple, dans une chambre à brouillard, malgré leur durée de vie très courte, grâce à la dilatation du temps, un des effets de la théorie de la relativité. Les muons se déplacent vers la Terre à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, de telle sorte qu’ils peuvent atteindre le sol avant de se désintégrer.
Si vous apercevez une trace semblable à celle de l’électron dans la chambre à brouillard, mais toujours très droite (grâce à la vitesse élevée des particules), il est possible que ce soit justement un muon !
Gerbes issues du rayonnement cosmique
Le rayonnement cosmique est constitué de particules qui, arrivant du cosmos à grande vitesse, tombent dans l’atmosphère de la Terre dans laquelle le rayonnement cosmique secondaire se produit, en interagissant avec les atomes s’y trouvant. Dans la chambre à brouillard, le rayonnement cosmique peut être observé clairement grâce aux gerbes de rayonnement cosmique secondaire, apparaissant sous forme de plusieurs traînées de brume orientées dans le même sens et au même moment. Les particules du rayonnement cosmique proviennent, par exemple, du Soleil, mais aussi de l’espace interstellaire et intergalactique.
L’électron rayon delta
Lors du passage d’une particule relativement lourde à haute énergie, le rayonnement dit delta peut être remarqué dans la chambre à brouillard. Ce sont des électrons extraits de molécules d’alcool isopropylique passant à travers des particules aussi lourdes telles que le proton. Dans la chambre à brouillard, nous voyons une mince trace d’électrons juste autour de la trace rectiligne du proton, due à l’ionisation des molécules d’alcool isopropylique. Ces électrons fuyants sont appelés rayons delta, ou delta ray en anglais.
Observation indirecte des rayons gamma - Diffusion Compton
Le rayonnement gamma radioactif ne peut pas être observé directement dans la chambre à brouillard, car il s’agit bien d’un rayonnement plutôt que d’une émission de particules chargées telle que les rayonnements alpha et bêta. Cependant, ce fait peut être partiellement contourné. En appliquant une source de rayonnement gamma au verre de la chambre à brouillard, les électrons sont extraits des molécules formées par le verre. Ces électrons peuvent être alors observés dans la chambre à brouillard.
Double trace en forme de « V » à partir de particules alpha après désintégration du radon
Les traces en forme de « V » comprennent deux particules alpha qui ont été rayonnées très brièvement. Si le radon 220 est présent dans la zone d’observation de la chambre à brouillard, nous pouvons constater sa désintégration en polonium 216 qui se désintègre immédiatement en plomb 212. Ces deux désintégrations sont accompagnées par le rayonnement de deux particules alpha dont les traces sont observées dans la chambre à brouillard. Le Radon 220 peut être injecté dans la zone d’observation de la chambre à brouillard grâce au bouton interactif du module.
Démonstration de la demi-vie du radon
La demi-vie est le moment où la moitié du nombre de noyaux atomiques dans l’échantillon se décompose. Dans la chambre à brouillard, nous pouvons approcher cette notion à l’aide du radon 220 et des traces caractéristiques en forme de « V ». Après injection du radon 220 dans la zone d’observation de la chambre à brouillard, on observe un nombre maximal de traces en forme de « V ». La durée de la demi-vie du radon 220 est d’une minute, nous verrons ainsi la moitié de sa trace en forme de « V » pendant ce temps. Si nous attendons encore une minute, c’est-à-dire une autre demi-vie, nous apercevrons la moitié des traces en forme de « V », dans la chambre à brouillard, au nombre maximal que nous avions observé après l’injection du radon 220. Le radon 220 peut être injecté dans la zone d’observation de la chambre à brouillard grâce au bouton interactif du module.
Visualisation de la chaîne de désintégration du thorium
La chaîne de désintégration du thorium est l’une des quatre chaînes de désintégration fondamentales. C’est une séquence d’éléments où il est précisément défini, sur quel autre élément, l’élément instable précédent se désintègre et quelles particules il émet (comme les particules alpha ou les électrons). Dans la chambre à brouillard, nous pouvons observer une partie de la chaîne de désintégration du thorium où, après injection du radon 220 dans la zone d’observation, nous remarquons des traces de deux particules alpha, après décomposition du radon 220 en polonium 216 et en plomb 212. Le radon 220 peut être injecté dans la zone d’observation de la chambre à brouillard grâce au bouton interactif du module.
Particules alpha émises par une source de rayonnement alpha
En plus d’observer le fond radioactif naturel, des traces de particules radioactives peuvent également être observées en plaçant une source artificielle dans la zone d’observation de la chambre à brouillard. La source de rayonnement alpha, particules alpha, est, entre autres, l’américium 241. Lors de son insertion dans la zone d’observation, des traces de rayonnement de particules alpha peuvent être observées. Des particules alpha de source artificielle d’américium 241 peuvent être insérées dans la zone d’observation de la chambre à brouillard à l’aide du bouton interactif du module.
Emission d’électrons à partir d'une source de rayonnement bêta
En plus d’observer le fond radioactif naturel, des traces de particules radioactives peuvent également être observées en plaçant une source artificielle dans la zone d’observation de la chambre à brouillard. Un exemple de source d’électrons (rayonnement bêta) est le strontium 90. Lors de son insertion dans la zone d’observation, un éventail omnidirectionnel de traces d’électrons rayonnés peut être observé. L’électron strontium 90 artificiel peut être inséré dans la zone d’observation de la chambre à brouillard à l’aide du bouton interactif du module.
TRES RARE
Le pion
Les pions sont des particules composées d’une paire de particules de quarks élémentaires « u » et « d » contenant chacune un quark et un antiquark. Dans la chambre à brouillard, nous voyons des traces seulement de pions chargés. Les traces des pions sont très semblables à celles des électrons et il est difficile de les distinguer ; cela peut être fait à partir de leur tracé dans la chambre à brouillard. Les pions font également partie des rayons cosmiques secondaires qui se produisent dans l’atmosphère par des interactions de particules de rayons cosmiques primaires avec des particules de l’atmosphère.
Le kaon
Les kaons sont des particules constituées d’un quark « s » et d’un quark « u » ou « d », toujours par paire de quark et antiquark. Dans la chambre à brouillard, cette particule ne peut être identifiée qu’à partir des traces au moment de la désintégration d´un kaon, tandis que les kaons se désintègrent en pions. Les kaons ont été découverts à travers des images d’une chambre à brouillard en 1947, pendant une étude du rayonnement cosmique secondaire, lesquels en font partie également.
Diffusion élastique de protons
La diffusion élastique des protons est l’un des phénomènes les plus rares pouvant être observés dans la chambre à brouillard. Il s´agit d´une façon d’interagir pendant une collision de deux protons.
Désintégration du muon par interactions faibles
Dans la chambre à brouillard, il est possible d’observer la désintégration du muon par interactions faibles sur un électron. Cette désintégration est clairement évidente à partir de sa trace. La trace plus épaisse du muon se brise soudainement et se rétrécit, le muon se désintègre et une trace plus mince appartenant à l’électron peut être observée. D’autres particules telles que le neutrino-muon et l’antineutrino-électron ne sont pas observées dans la chambre à brouillard, puisque ces particules ne sont pas chargées électriquement.
L’annihilation gamma
L’annihilation se produit au moment où la particule rencontre son antiparticule. L’exemple le plus connu est l’annihilation d’un électron et d’un positron, pendant laquelle deux photons de rayonnement gamma se produisent. Dans la chambre à brouillard, nous observons ce phénomène comme deux traces fines (électrons et positrons) se terminant dans un seul et même endroit. Nous ne voyons pas de rayonnement de photons gamma dans la chambre à brouillard, car cette particule ne porte aucune charge électrique. Ce phénomène peut également être observé dans l’ordre inverse, lorsque le photon se décompose en un électron et un positron dont les traces proviennent du même endroit.
La particule Oh-my-god ou « Oh mon dieu »
En 1991, pour la première fois, des particules d’énergie ultra-élevée ont été observées, comparables, par exemple, à l’énergie cinétique d’un ballon de football tiré dans les airs. Cette particule est certainement originaire de l’espace, elle est donc arrivée dans le cadre du rayonnement cosmique, mais son origine exacte n’est toujours pas certaine. La particule « Oh mon Dieu » ressemblait le plus à un proton volant très rapide. Théoriquement, une telle particule peut être observée dans une chambre à brouillard, mais seules quelques-unes d’entre elles ont été observées jusqu’à présent.
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Le modèle standard de la physique des particules est une théorie décrivant les trois forces fondamentales (interactions) et les particules élémentaires qui composent toute la matière.
Selon cette théorie, l’univers entier se compose en six types appelés leptons et en six autres nommés quarks. Nous pouvons décrire toutes leurs relations en utilisant trois classes d’interactions : les interactions fortes, faibles et électromagnétiques. Bien que nous sachions déjà que cette théorie n’est évidemment pas parfaite puisque, par exemple, elle n’inclut pas l’interaction gravitationnelle, cette théorie est maintenant reconnue comme étant le meilleur modèle pour décrire le fonctionnement de l’univers. L’électron, le muon et le tauon possèdent une charge élémentaire négative, ainsi nous pouvons les apercevoir dans la chambre à brouillard où nous remarquons le plus souvent les électrons, et moins souvent les muons.
Les particules élémentaires
La matière est faite de leptons et de quarks. Les leptons sont composés d’un électron et de variantes plus massives de muons et de tauons ainsi que de neutrinos correspondants (d’électron, de muon et de tauon). Pour chaque lepton, il existe une antiparticule dont la plus commune est le positron, l’antiparticule de l’électron. Les particules de hadrons sont composées d’autres particules, les quarks. Il existe six quarks et chacun possède son antiparticule. Des exemples de particules semblables à des quarks sont, par exemple, les hadrons, les protons et les neutrons qui constituent les noyaux atomiques classiques. Les quarks font également partie de la composition des mésons, par exemple, tels que le pion ou le kaon. Ces deux mésons ont été découverts dans une chambre à brouillard.
Les particules messagères sont les médiateurs des interactions décrites dans le modèle standard de physique des particules – les particules de gluons servent d’intermédiaire à l’interaction électromagnétique des photons (lumière, rayons gamma), à l’interaction faible des bosons W +, W- et Z0 (radioactivité) et aux interactions fortes. Comme particule spécifique, il y a le boson de Higgs faisant partie du champ de Higgs et, grâce à lui, les particules W +, W et Z0 sont pourvue d’une masse non nulle. Le boson de Higgs est la dernière particule découverte du modèle standard, il est apparu en 2012 sur le détecteur CMS du Grand collisionneur de hadrons (LHC), au CERN.