@YvesDelhaye.Be : "Nous ne sommes pas faits pour vivre comme des imbéciles, mais pour suivre les chemins de la vertu et de la connaissance." (Dante : l'Enfer)

Présentation : détection de muons et chambre à nuages

Yves Delhaye — 2016-03-05T14:27:46Z

Voici une présentation en PDF sur la chambre à nuages et la détection de muons. Passez en plein écran et appuyez sur la barre d'espace (ou un clic de souris) pour faire défiler.

J'avais écrit un article sur ce site décrivant plus en détail la construction. Je vous invite à le lire si vous voulez en savoir plus.

Le site cloudylabs donne aussi beaucoup d'informations.

Les muons

Yves Delhaye — 2007-06-05T19:03:31Z

Dans la chambre à nuage, nous observons des traces causées par le passage des muons (ou des particules alpha).

Mais ces muons, qu'est-ce que c'est ?

A plus d'un titre, ce que nous observons ici, c'est la relativité d'Einstein à l'oeuvre !

E=mc² : L'origine des muons est ainsi dûe à la formule la plus célèbre d'Einstein ! Cette "formule" exprime l'équivalence "masse-énergie" : l'énergie peut se transformer en masse et la masse en énergie.

Les novae, le soleil expulsent des protons à très grandes vitesses dont une partie viennent heurter des atomes dans la haute atmosphère à plusieurs kilomètres d'altitude.

L'énergie cinétique des protons est telle que lorsqu'ils la communiquent à ces atomes, une partie de cette énergie se transforme en masse : un muon est né !

Dilatation du temps : Un muon, ça ne vit pas longtemps : un millionième de seconde !

Il voyage vers nous presque à la vitesse de la lumière : 300 000 kilomètre à la seconde.

Calculons la distance parcourue. Le temps écoulé fois la vitesse égale la distance parcourue. Un millionième de seconde fois 300 000 kilomètre à la seconde = 300 mètres !?!?!?

Il ne devrait jamais arriver jusqu'à nous !

La dilatation du temps est à l' œuvre ...

Vous connaissez peut-être la paradoxe des jumeaux de Langevin. Si un des frères jumeaux part dans une fusée qui voyage presque à la vitesse de la lumière, le temps s'écoule moins vite pour lui. Lorsqu'il revient sur la Terre, son frère a vieillti et lui pas !

C'est ce qui se passe pour nos muons :

$t' = t / \sqrt(1 - (v^2)/(c^2))$

Le temps perçu par eux est t'. Si leur vitesse v est assez grande, ils ont le temps d'arriver jusqu'à nous !

Pour en savoir plus sur l'origine des rayons cosmiques : wikipedia.org Rayon_cosmique

Pour en savoir (un peu) plus sur la relativité restreinte : wikipedia.org Calculs_relativistes : La_dilatation_des_durées

Détection de rayons cosmiques dans une chambre à nuage

Yves Delhaye — 2006-03-19T22:06:13Z

Nous sommes en permanence bombardés par des rayons cosmiques. Provenants du soleil, des protons viennent heurter des atomes dans la haute atmosphère. Des restes de supernovae ou du big bang parviennent jusqu' à nous. Des gerbes de particules jaillissent de ces collisions et nous traversent à chaque instant.

Ayant lu quelques descriptions sur le web de détecteurs artisanaux, je me suis lancé dans la construction.

C'est étonnamment facile !


Près à l'action

Matériel nécessaire :

un aquarium en plastique
des plaques de feutre autocollant
une plaque métallique peinte en noir
de la toile isolante
de l'isopropanol PUR (Il faut avoir un ami chimiste !) ATTENTION : C'est un produit toxique.
de la carboglace (On dit aussi glace carbonique.) ATTENTION : -80 °C NE PAS TOUCHER A MAINS NUES
un bac en bois (j'ai utilisé un vieux tiroir !)
des plaques de frigolite
une (ou plusieurs) lampe(s) de poche
- OU un vieux projecteur de diapositive
une grosse brique

Construction :

Coller le feutre au fond de l'aquarium.


Plaques de feutres collées: Les magasins de bricolages sont vos amis !

La plaque métallique doit faire couvercle et donc dépasser le bord supérieur de l'aquarium de quelques centimètres.


La plaque métallique

Les parois intérieures du tiroir doivent être tapissées de frigolite. Ne pas hésiter à mettre plusieurs couches pour le fond. Laisser 4 à 5 cm de profondeur libres.


Vieux tiroir et frigolite

Remplir le tiroir de carboglace. (La frigolite est là pour isoler thermiquement.)


Carboglace: ATTENTION :
- 80°C

Saturer le feutre d'isopropanol.


Isopropanol: S'il y en a de trop, celà fera joint entre l'aquarium et la plaque métallique

Poser l'aquarium sur la plaque, face noire vers l'intérieur de l'aquarium. Si la plaque a une rainure dans laquelle le bord de l'aquarium vient s'emboîter, c'est encore mieux.

Coller les bords de l'aquarium sur la plaque avec la bande isolante en veillant à ne pas remonter de plus d'un cm ou deux sur les parois.

Poser la plaque sur la carboglace. Le fond de l'aquarium est vers le haut.

Poser la brique (ou un objet lourd PAS DU PLOMB !) sur l'aquarium. Le but étant d'assurer l'étanchéité de l'ensemble.


Grosse brique

Déposer l'ensemble dans une pièce obscure.

Attendre une quinzaine de minutes.


En action

Après quinze minutes, si vous braquez le rayon de la lampe de poche parallèlement à la plaque noire en rasant le fond, vous allez observer comme une légère rosée ou un brouillard qui se dépose sur la plaque.

C'est l'isopropanol qui se condense.


Brouillard d'isopropanol


Eclairage par projecteur de diapositives: Le plus efficace jusqu'à présent.

De temps en temps vous allez observer une trainée blanche, comme le passage d'un avion en altitude dans un ciel clair.


Trace en haut à gauche: Une trace très nette : souvent elles sont moins évidentes.

Voilà, vous venez de voir passez un rayon cosmique ! (Plus exactement un muon résultant de la collision d'un rayon cosmique dans la haute atmosphère !)

Parfois il s'agira d'un mince filet, plus rarement vous aurez la chance d'observer une grosse trainée occupant un volume similaire à celui d'une cigarette. Dans ce cas, il s'agit probablement d'une particule alpha issue de la désintégration d'un atome de Radon. Ce gaz inerte provient du sol et des matériaux de construction. Il s'agit de radioactivité naturelle.


Particule alpha

Il faut "chipoter" avec la lampe et apprendre à les voir. Soyez patient !

Je n'ai pas réussi à avoir de photo nette des trainées. Mon appareil faisant de la mise au point automatique et attendant systématiquement une ou deux secondes avant de déclencher cela s'est avéré plus difficile que de construire le détecteur ! Il semble que tous ceux qui ont réalisé l'expérience se soient heurté à la même difficulté.

Heureusement, une amie professeur de photographie m'a aidé pour les photos de trace (et pour quelques autres aussi !)

Principe de fonctionnement :

L'isopropanol est un alcool. A température ambiante, il s'évapore. A - 80°C, il devrait être liquide. A proximité de la plaque il devrait donc être liquide mais n'a pas encore eu le temps de se liquéfier. Cette vapeur est dite sursaturée. Le passage d'une particule ionisante et de haute énergie brise cet équilibre fragile et fait se liquéfier la vapeur brutalement. C'est cette trainée de condensation que l'on observe.


La chambre à nuage: Pour avoir une vision d'ensemble

Liens :

http://www.cosmicrays.org/

En anglais

www.cloudchambers.com propose de belles photos mais est un lien commercial ! (Je ne suis jamais enthousiaste avec celà !)

La chambre à nuage de Wilson

CambdridgePhysics