C’est ainsi que fonctionnent les chambres à bulles, le grand détecteur des années 70 qui anticipait les accélérateurs de particules

La recherche de particules subatomiques existait avant les accélérateurs massifs de particules du CERN. Invisible au microscope les physiciens ont dû trouver comment les détecter et visualisez sa trajectoire. En 1952, Donald A. Glaser a inventé la chambre à bulles, semblable à la chambre à brouillard, mais où les particules laissaient une traînée de bulles dans un liquide brûlant sur le point de bouillir.

C’est ainsi que fonctionnent les chambres à bulles, prélude aux accélérateurs de particules et au monde numérique. La différence entre l’un et l’autre est épouvantable. Ce que le grand collisionneur de hadrons est capable de capturer aujourd’hui en moins de 2 heures équivaut à ce qui a été généré pendant 11 ans dans la Big European Bubble Chamber (BEBC), la première chambre à bulles du CERN qui a commencé sa vie en 1973.

Avec la technologie actuelle, il est relativement faisable de traiter cette grande quantité de données, mais les 6,3 millions d’images de la chambre à bulles ont permis entre autres découvertes de vérifier l’existence de la force nucléaire faible. Une découverte faite grâce à ces chambres de détection de particules subatomiques particulières.

Le mécanisme de la chambre à bulles est basé sur la relation entre le point d’ébullition et la haute pression. Lorsque la pression sur le liquide est soudainement réduite, le liquide surchauffe et les particules traversant le liquide laissent une traînée de bulles qui peut être suivi par des scientifiques.

Le travail des physiciens est de photographier et d’analyser avec précision les traces de particules à grande vitesse. La clé de ces chambres à bulles est que la densité du milieu liquide est élevée et qu’il y a donc généralement une plus grande probabilité de collision. Au cours des années 1960, ces chambres à bulles étaient aussi utiles pour la physique nucléaire que les accélérateurs de particules le sont aujourd’hui.

La physique derrière les caméras à bulles

La légende a expliqué que Donald Glaser avait l’inspiration des chambres à bulles dans la bière, mais la vérité est que le prix Nobel de physique de 1960 lui-même a nié l’histoire lors d’une conférence, qualifiant qu’il avait à un moment donné utilisé la bière comme liquide pour le chauffage. L’expérience n’a pas fonctionné, car besoin d’un liquide avec une faible tension superficielle pour que les bulles apparaissent. Au départ, des tubes de réactifs ont été utilisés, mais ils ont rapidement augmenté en taille et ont opté pour des éléments tels que l’hydrogène liquide.

Les particules chargées électriquement créent une traînée d’ionisation. Autour de cette étape, le liquide se vaporise et forme de minuscules bulles microscopiques. L’idée est que la densité des bulles autour de chaque trace est proportionnelle à la perte d’énergie de la particule. Une information qui nous aidera à en connaître les détails.

A cela il faut ajouter que toute la chambre est soumise à un champ magnétique constant, ce qui fait voyager les particules chargées selon une trajectoire hélicoïdale dont le rayon est déterminé par la vitesse et le rapport charge-masse. Autrement dit, en fonction de la courbure que nous avons dans l’image, nous pouvons déterminer les propriétés physiques de la particule.

Au fur et à mesure que l’appareil photo se dilate, la taille des bulles augmente, ce qui facilite la vision et la photographie. Précisément dans la chambre à bulles, il y a une série de caméras qui vous permettent de capturer une image en trois dimensions.

Parmi les découvertes les plus importantes des chambres à bulles, nous trouvons du faible courant neutre avec les neutrinos, Origine de la théorie de la force nucléaire faible et découverte des bosons W et Z, jusqu’aux expériences récentes dans la recherche de particules massives à faible interaction, le soi-disant WIMP.

BEBC et Gargamelle: les machines du CERN dans les années 70

Les premières chambres à bulles étaient très petites, mais à l’approche des années 1980, elles ont commencé à contenir jusqu’à 20 mètres cubes de liquide. Plus de 100 de ces chambres à bulles ont été construites dans le monde, où malgré l’utilisation de grands aimants supraconducteurs, leur coût était de plusieurs ordres de grandeur inférieur à celui des accélérateurs de particules.

Certaines des caméras les plus reconnues sont la caméra à hydrogène du CERN, avec seulement 30 centimètres; La caméra de Saclay, 81 centimètres; le CERN de deux mètres et enfin le BEBC («  Big European Bubble Chamber  »), construite au début des années 70, avec un diamètre de 3,7 mètres et étant l’un des projets les plus importants de l’époque dans le domaine de la physique des hautes énergies.

Le BEBC était un grand pot en acier inoxydable, 4 mètres de haut et 35 mètres cubes de liquide (hydrogène, deutérium ou mélange de néon et d’hydrogène). Avec un énorme piston de deux tonnes, la sensibilité était réglée. En 1973, après avoir installé le plus grand aimant supraconducteur de l’époque (3,5 tonnes) les premières images ont été enregistrées. En 1977, la chambre à bulles a été exposée à des faisceaux de neutrinos avec des énergies allant jusqu’à 450 GeV.

Une autre des chambres à bulles les plus importantes était Gargamelle, également construite au CERN et destinée à détecter les neutrinos. Avec 4,8 mètres de longueur et 2 mètres de diamètre, il était légèrement plus petit que le BEBC. Dans son intérieur, 12 mètres cubes de fréon liquide lourd (CF3Br) ont été utilisés. Grâce à cette expérience, entre 1972 et 1974, preuves de l’existence de quarks, l’une des particules constitutives des protons et des neutrons.

Le plus grand de tous a été construit dans le Fermilab («Fermi National Accelerator Laboratory»), dans l’Illinois. À environ 4,6 mètres de diamètre, elle est considérée comme la plus grande chambre à bulles de tous les temps, avant de céder la place à d’autres types de construction. À l’époque, on envisageait de fabriquer une caméra de 25 pieds (environ 7,6 mètres), mais en raison, entre autres, de doutes techniques sur le néon qu’ils allaient utiliser, cela n’a pas été réalisé.

La construction de ces chambres à bulles avait un impact important sur la reconstruction de l’étude de la physique en Europe après la Seconde Guerre mondiale. Contrairement aux années suivantes, où le CERN a été établi à Genève et où les projets sont devenus de plus en plus chargés, les chambres à bulles pouvaient encore être facilement transportées.

Les chambres à bulles sont considérées l’un des ingrédients clés du succès du CERN. C’est cette symbiose entre le CERN et la communauté des laboratoires qui a favorisé la collaboration entre chercheurs et jeté les bases de la coopération internationale qui a été par la suite l’un des piliers de projets tels que les grands accélérateurs de particules.

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