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Chambre à brouillard

La chambre à brouillard est le premier appareil imaginé par les physiciens pour mettre en évidence les rayons cosmiques. C’est un récipient en verre, dans lequel on place une atmosphère saturée de vapeur à la pression ambiante. Si on provoque dans cette chambre une brusque détente (baisse de pression), on déplace le point de rosée, et un brouillard se forme à l’intérieur. Si une particule ionisante traverse à ce moment-là la chambre, elle provoquera la formation de goutellettes d’eau le long de sa trajectoire. La trajectoire sera ainsi matérialisée par une ligne de goutelettes, qui peut être photographiée. Bien sûr, après la détente, le brouillard ne subsiste que quelques instants, et ce type de chambre ne peut fonctionner en continu. Pour capturer de nombreuses particules, dont l’apparition est aléatoire, on peut s’en remettre au hasard, qui fait parfois bien les choses. Mais une amélioration notable de cet instrument a consisté à placer un détecteur du type compteur Geiger (à ionisation) au-dessus de la chambre, le compteur déclenchant tout le mécanisme. Il faut que la réaction soit extrêmement rapide.

Une version plus simple consiste à produire le brouillard par une atmosphère d’alcool, soumise à un fort gradient de température.

On prend un aquarium en verre de petite taille ; on colle au fond un tissu noir, que l’on imbibera d’alcool à brûler. Le plus difficile est de refroidir la vapeur d’alcool pour provoquer sa condensation. Il faut pour cela une température très basse, que l’on peut obtenir par contact avec un bloc de glace carbonique (ce qui peut s’acheter chez certains industriels, comme par exemple l’Air Liquide). On place le bloc de glace carbonique dans une bassine en plastique isolée par du polystyrène (matériau de construction). On le met en contact avec une plaque de cuivre ou d’aluminium, bonne conductrice de la chaleur, qui ferme la bassine. On renverse l’aquarium, dont le fond est imbibé d’alcool, sur cette plaque.

Il suffit maintenant d’attendre que la température baisse suffisamment. On éclaire l’un des côtés de l’aquarium, et on observe de l’autre. On voit un fin brouillard tomber régulièrement dans cette chambre.

Maintenant, il faut être bien attentif : brutalement, vous pourrez observer un chapelet de goutelettes, qui tombe rapidement vers la plaque métallique. Ce chapelet à été condensé à partir du brouillard par une particule ionisante qui a traversé la chambre. Vous pouvez faire un petit film à l’aide d’un appareil photo numérique, ou d’un camescope.

Une chambre de ce type a été construite au Centre de Physique des Particules de Marseille (CPPM) par le professeur José Busto. En voici quelques photos :

On voit la cuve jaune qui contient la glace carbonique, ainsi que l’isolation extérieure en polystyrène. L’intérieur est également garni de polystyrène pour éviter l’évaporation trop rapide de la glace. L’ensemble est maintenu par du ruban adhésif. L’aquarium renversé au-dessus est plaqué sur le support par deux poids posés sur le fond (en haut). On voit également l’éclairage. Le tissus imbibé d’alcool est contre le fond de l’aquarium, en haut. Remarquez le petit tuyau de plastique transparent, qui part du dessus de l’appareil, et rentre dans l’aquarium (percé…) pour permettre de recharger en alcool sans ouvrir l’instrument (et donc sans réchauffer l’intérieur).

Sur cette seconde photo vous voyez la plaque métallique posée sur la glace carbonique, et recouverte d’un tissus noir. L’alcool vient se condenser là.

Ici, vous voyez le fond de l’aquarium, qui constitue le haut de la chambre, habillé du tissus noir imbibé d’alcool. On distingue bien le tuyau d’alimentation.

Le brouillard se forme dans la partie de l’aquarium où la température est favorable à la formation de goutelettes, c’est-à-dire une couche vers le bas de la chambre. C’est là qu’il faut observer les traces.

Voici enfin un film réalisé avec un appareil photo numérique sur pied. Vous y verrez le brouillard qui tombe doucement vers le fond, et de temps en temps des lignes de goutellettes qui matérialisent la trace d’une particule ionisante. Il s’agit en général de muons, particules qui ont exactement les mêmes propriétés que l’électron, mais une masse beaucoup plus importante (ce sont des électrons lourds). Ils sont produits comme particules secondaires par interaction d’un rayon cosmique (particule) avec un atome de l’atmosphère.

Ainsi, avec un matériel simple, on peut mettre en évidence les rayons cosmiques, et leurs interactions avec les atomes de l’atmosphère.

Chambre à brouillard de Tokyo

Le musée Miraikan à Tokyo (musée national des sciences émergentes et de l’innovation) est situé dans le quartier Odaiba au bord de la baie de Tokyo. Son but est assez large, et il traite de l’écologie, de la robotique, des protocoles informatiques, de technologie spatiale... et de physique. C’est cette dernière matière qui nous intéresse ici.

Une section présente la physique des particules, avec une grande maquette du détecteur super Kamiokande. Un ensemble de photomultiplicateurs est exposé. Mais la surprise est de découvrir une chambre à brouillard de très belle facture. Contrairement à celle présentée plus haut, elle fonctionne en continu. Il s’agit également d’un brouillard d’alcool, mais le gradient de température doit être maintenu par un congélateur (par détente de gaz ou par effet Peltier).

Des explications, concises mais précises, permettent de comprendre ce que l’on voit. Elles expliquent :

• les traces sinueuses, qui sont produites par des électrons. Ces particules légères sont soumises aux chocs avec les atomes du gaz de la chambre, qui en modifient la trajectoire ;
• les traces très larges, produites par des particules alpha (noyaux d’hélium 4). Ces particules alpha sont produites par la désintégration radioactive (radoiactivité alpha) du radon, gaz présent en faibles quantités dans l’atmosphère, et dont tous les isotopes sont radioactifs. Celui ayant la plus longue période de 3,823 jours, est le radon 222, qui est produit dans la chaîne de désintégration de l'uranium 238.
• Enfin, les traces fines et bien rectilignes qui sont produites par des muons.

Vous trouverez ci-dessous une vidéo montrant la chambre à brouillard en fonctionnement, avec un foisonnement de traces. Pour bien interprêter ces traces, quelques photos en ont été extraites, et sont décrites d’abord :

Les traces courbes visibles ici ont été produites par des électrons, qui ont ionisé les atomes sur leur trajectoire. De faible masse, ils sont facilemnt perturbés ; ils ont été bousculés par les atomes situés sur eur passage, ce qui a produit leur trajectoire courbée. Photo extraite de la vidéo à 0 mn 59 s.

Les trajectoires fines et rectilignes sont produites par des muons, identiues aux électrons mais 200 fois plus lourds. Cette grande masse les rend bien moins sensibles aux perturbations, c'est pourquoi leurs trajectoires sont en général bien droites. Photo extraite de la vidéo à 1 mn 29 s.

Enfin, la trace épaisse et relativement courte visible sur cette photo a été produite par une particule alpha. Très massive (c’est un noyau d’hélium 4), la trace est rectiligne, et produit une ionisation très forte. Celle-ci se traduit par un grand nombre de gouttelettes qui produit une trace épaisse. Photo extraite de la vidéo à 0 mn 50 s.

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