Il y a 50 ans, Charpak révolutionnait les détecteurs

Il y a cinquante ans Georges Charpak, qui travaillait alors au CERN, révolutionnait la détection de particules en publiant un article décrivant son invention: un nouveau système de détection de particules. La nouvelle technique permettait d'enregistrer des millions de traces (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de certification et de notification basé sur internet sous la responsabilité de la Commission européenne dans le cadre du...) de particules à chaque seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde...), au lieu d'une ou deux avec les méthodes traditionnelles. La chambre proportionnelle multifils venait de voir le jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure...).


Jusqu'en 1968, le travail pratique de détection des particules consistait essentiellement à scruter des milliers de photographies produites dans des chambres à bulles ou des chambres à étincelles, des tubes à décharge ou des compteurs à scintillation afin de chercher des traces intéressantes laissées par les débris de collisions de particules. Pour découvrir de nouvelles particules ou de nouveaux phénomènes, il faut bien souvent rechercher des interactions rares, survenant dans un événement sur un milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf millions neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf...).  Les méthodes anciennes, reposant sur l'examen de photographies, ne permettaient pas de repérer rapidement cet événement, si bien que la découverte de phénomènes nouveaux et de particules inconnues était un travail très fastidieux.

L'arrivée des amplificateurs à transistor sera une révolution ; une caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil de prise de vues animées, pour le cinéma, la...) peut détecter une étincelle, mais un fil de détection raccordé à un amplificateur (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.) est capable de détecter un effet bien plus ténu. Georges Charpak comprend alors qu'à l'aide de l'électronique moderne, et en reliant le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été spécifiquement conçu.) directement à un ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de circuits électroniques permettant de manipuler des...), il devient possible d'accroître fortement le recueil de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.). Le 23 février 1968, il publie, en collaboration avec des collègues, un article intitulé " The use of multiwire proportional counters to select and localize charged particles ".

La chambre multifils utilisait un instrument beaucoup plus ancien, à savoir le compteur proportionnel (Les compteurs proportionnels à gaz sont des détecteurs de radiations ionisantes, qui ont un très bon rendement pour les photons de faible énergie.), par exemple un tube Geiger-Müller, de façon innovante.

Dans un compteur proportionnel, une tension (La tension est une force d'extension.) électrique est appliquée aux bornes d'un tube rempli de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas...) et au centre duquel passe un fil. Le gaz est ionisé, et les électrons libérés des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une...) de gaz migrent vers le fil situé au centre du tube. Là, en raison du champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance par des particules...) élevé, ces ions négatifs se déplacent plus rapidement, ionisant alors davantage d'atomes de gaz, ce qui libèrent davantage d'électrons ; ceux-ci sont à leur tour accélérés, et ainsi de suite. Cette avalanche d'ions crée un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps...) électrique sur le fil, ce qui révèle l'emplacement de la première ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en gagnant des charges n'est plus neutre...).

Charpak a eu l'idée, au lieu d'utiliser un tube et un seul fil, de recourir à une enceinte remplie de gaz et équipée de nombreux fils de détection parallèles. Chaque fil était connecté à un amplificateur à transistor et fonctionnait ainsi comme un compteur proportionnel indépendant. Ce dispositif, relié à un ordinateur, permettait d'obtenir une vitesse (On distingue :) de comptage mille fois supérieure à celle des autres détecteurs existant à l'époque.

L'invention a révolutionné la détection de particules, la faisant entrer dans l'ère électronique.

En 1992, Charpak a reçu le prix Nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les dernières volontés du testament du chimiste...) pour cette avancée remarquable dans les techniques d'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) des profondeurs de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...), et, aujourd'hui, beaucoup d'expériences de physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi...) utilisent de façon habituelle un détecteur s'appuyant sur le principe de la chambre proportionnelle multifils de Charpak. Ce type de détecteur a permis des découvertes importantes en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) des particules, y compris le quark (Les quarks sont des fermions que la théorie du modèle standard décrit, en compagnie de la famille des leptons, comme les constituants élémentaires de la matière.) charmé, les bosons W et Z et le gluon (Le gluon est le boson responsable de l'interaction forte. Les gluons confinent les quarks ensemble, ce qui permet l'existence des protons et des neutrons, ainsi que des autres hadrons. Ils ont une masse probablement nulle...), et a plusieurs autres applications dans les domaines de la médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la pratique (l'art) étudiant l'organisation du corps humain (anatomie),...) et de la biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de...).