Microcosm, CERN

Des clefs pour comprendre les secrets de la matière de l’infiniment petit à l’infiniment grand.

CERN, CH-1211 Genève
Tel : +41 22 767 84 84

microcosm.web.cern.ch/microcosm

———————————————————————————————————————————————————

L'objet: Chambre à étincelles Modèle d’exposition de chambre à étincelles, servant à détecter les rayons cosmiques, 1990.

——————————————————————————————————————————————————

Le récit :

Récit par Sylvain Berthomier , chargé de mission à Microcosm

La chambre à étincelles

« Au tout début du vingtième siècle, la physique est en pleine révolution. Magnétisme et électricité sont unifiés, et la lumière dévoile son intimité. On vient aussi de découvrir de nouveaux rayonnements aux propriétés surprenantes : rayons cathodiques (ceux des futurs téléviseurs), rayons X et rayons émis par des substances naturelles radioactives, certains n’étant qu’une facette d’un seul et même phénomène. Mais d’autres rayons étonnent encore plus.

En 1912, le physicien autrichien Viktor Hess est intrigué par le comportement de son électroscope, un appareil sensible aux rayons.
En l’embarquant dans son ballon à plus de 5000 m d’altitude, loin de toute source de rayonnement radioactif terrestre, le scientifique remarque que son électroscope s’agite tout de même : plus il monte en altitude, et plus son appareil détecte des charges électriques. Il en conclut l’existence d’un rayonnement inconnu provenant non pas de la terre, mais de l’espace : les rayons cosmiques. Sans le savoir, Victor Hess vient de faire une avancée spectaculaire dans une discipline que l’on ne nomme pas encore « physique des particules ».

Dans les années 1930, le français Pierre Auger installe des détecteurs Geiger-Müller à Paris. Il est bien souvent embarrassé quand différents détecteurs reçoivent des signaux simultanés. En 1938, pour en savoir plus, au lieu de monter en ballon, il installe des détecteurs à la station Jungfraujoch dans les Alpes suisses. Sa nouvelle expérience confirme ses soupçons : plusieurs particules primaires tombent sur la terre, interagissent avec les molécules de l’atmosphère et donnent lieu à une averse de particules secondaires. Comme une goutte d’eau qui tombe et se décompose en plusieurs gouttelettes. Il découvre ainsi que chaque seconde, chaque jour, quelques rayons cosmiques traversent notre corps, où que nous soyons.

Jusqu'au début des années 1950, les rayons cosmiques constituent une puissante source d'informations pour mieux connaître la matière. Mais on les abandonne bientôt après l’entrée en fonction des accélérateurs, parce que ceux-ci deviennent des sources de particules beaucoup plus intenses que les rayons cosmiques. Avec les rayons cosmiques on prend ce qui arrive : c’est plutôt un travail d'observation. Auprès des accélérateurs on peut planifier les phénomènes qu’on souhaite étudier. Et pour étudier ces rayonnements à haute énergie, les scientifiques doivent concevoir des appareils capables de détecter plus précisément ces rayonnements : on les appelle chambre à bulles et chambre à étincelles.

Entre 1960 et 1970, au CERN, chambres à bulles et chambres à étincelles sont les outils expérimentaux dominants en physique des hautes énergies. Tandis que les chambres à bulles sont des dispositifs tout-usage de détection de particules, mais assez contraignants dans l’exploitation des résultats, les chambres à étincelles sont habituellement adaptées à des expériences spécifiques et possèdent des avantages.
Si dans les chambres à bulles les évènements sont enregistrés avec plus de précision spatiale, la disponibilité temporelle des chambres à étincelles est plus grande, le silence entre deux détections plus court.

Mais le plus important est que la chambre à étincelles marque le début de l’ère de la détection électronique. Avec elle, on peut pré-sélectionner les évènements et automatiser l’exploitation des résultats grâce à un ordinateur, et non plus photographier sur des mètres de pellicule les traces laissées par le passage des particules. Au CERN, les premières détections à l’aide de chambre à étincelles eurent lieu au début des années soixante au PS (Proton Synchrotron.) Néanmoins, pas même les accélérateurs qui succèdent au PS n’atteignent les phénomènes aux énergies extrêmes que l’on peut observer dans les rayons cosmiques.

Alors si les scientifiques ne peuvent pas produire ces phénomènes dans les accélérateurs, ils retournent à la collecte in situ, grâces aux chambres à étincelles ou leurs dérivés. Une première technique fait appel à un ou plusieurs détecteurs au sol, qui peuvent couvrir une grande superficie et détecter des particules très haute énergie. Dans les années soixante-dix, un télescope à chambre à étincelles était installé à Kiel, en Allemagne ; dans les années quatre-vingt, des particules cosmiques étaient traquées sous le Mont-Blanc. A l’heure actuelle, l’observatoire de Yangbajain au Tibet étudie ces rayons cosmiques, comme l’observatoire Pierre Auger en Argentine. D’autres chercheurs font appel à des détecteurs embarqués à bord d’engins spatiaux, tels PAMELA (satellite) ou AMS (module pour l’ISS, la station spatiale internationale), à la recherche d’antimatière dans l’univers.

Chaque nouveau détecteur n’est pas un nouvel appareil, mais plutôt une étape, une évolution par rapport au précédent. La chambre à étincelles du Microcosm est l’héritière des compteurs Geiger-Müller car elle fonctionne un peu sur le même principe physique. Elle a évolué en chambres à fils à fonctionnement proportionnel, puis en chambre à dérive, en chambres à pailles… Ainsi, dans l’histoire des chambres de détection, il n’y a pas vraiment de naissance. A un certain moment, le mouvement est lancé, et à chaque étape les capacités de détection sont améliorées. La chambre à étincelles est-elle pour autant oubliée ?
Non, car elle constitue aujourd’hui un des outils pédagogiques privilégiés pour montrer les rayons cosmiques dans les classes ou les musées… tel Microcosm !»