8 octobre 2010
G. Charpak : révolution dans la détection des particules

Georges Charpak, physicien français et prix Nobel de physique en 1992, vient de décéder. Difficile de trouver une grande expérience de physique des particules qui ne s’inspire de ses concepts. Les physiciens des particules, notamment ceux travaillant au LHC, lui doivent beaucoup, mais le grand public aussi, ses travaux ayant trouvé des nombreuses applications en biologie. Ses travaux ont permis notamment de perfectionner la radiographie médicale en réduisant l’exposition des patients aux radiations.

Une moisson de résultats grâce au détecteur de Georges Charpak

Georges Charpak, chercheur au CNRS puis au Cern révolutionne la détection des particules en 1968 et sera récompensé par le prix Nobel en 1992 pour « l’invention et la mise au point de détecteurs de particules, en particulier la chambre proportionnelle multifilaire, une percée dans la technique d’exploration des parties les plus infimes de la matière ». Avant cette invention, le détecteur vedette de la physique des particules était la chambre à bulles. George Charpak témoignait lors d’une conférence de presse à Paris en 1992 : « Les physiciens à ce moment-là étaient concentrés sur l’analyse de dix millions de photographies par an. Une armée de personnes regardait ces photographies On leur avait enseigné d’appuyer sur un bouton pour chaque événement détecté, nous voulions aller plus vite ! J’ai donc fabriqué un détecteur de dix sur dix centimètres carrés qui pouvait compter un million d’événements par seconde sur chaque fil alors qu’une chambre proportionnelle de l’époque d’un mètre carré pouvait compter cent coups par seconde. C’était vraiment une ère nouvelle. » Dans sa version originelle la chambre de Charpak était un boîtier rempli de gaz comportant un grand nombre de fils de détection parallèles connectés chacun à un amplificateur.. Ce détecteur permis de reconstruire, en deux dimensions dans un premier temps, la passage donc la « trajectoire » des particules.

Ainsi, c’est avec des détecteurs comprenant des chambres à fils qu’on a pu observer les particules clés du Modèle Standard de la physique des particules depuis les bosons Z et W, porteurs de la force faible en 1983 au Cern (récompensé par un Nobel également) jusqu’au quark top au Fermilab de Chicago en 1995. Les chambres de Charpak sont encore utilisées aujourd’hui notamment dans les grandes expériences du LHC.

Les chambres de Charpak au LHC

Le détecteur Alice. Un des grands avantages de la chambre multifilaire, encore aujourd’hui, est de pouvoir fournir un détecteur de particules de très grande surface. Dans Alice, les trajectoires des muons sont reconstruites par de très grandes chambres à fils d’environ 100 m2 avec 1,1 millions de canaux de lecture pour l’électronique. La France a été un acteur majeur de la conception du spectromètre. On trouve également des chambres à fils dans la chambre à échantillonnage temporel (TPC) et le détecteur à rayonnement de transition (TRD), deux trajectographes de l’expérience.

Le détecteur Atlas. Une autre grande qualité des chambres multifilaires de Charpak est de supporter des flux élevés de particules élevés par rapport aux chambres à étincelles ou aux "tubes proportionnels" de la génération précédentes. La collaboration Atlas a tiré parti de cette propriété en s’équipant de détecteurs à muons appelés "TGC" (Thin Gap chambers") et "CSC"(Cathode strip chambers) dont le dessin est très proche des chambres de Charpak. Elles sont utilises "vers l’avant", là où le taux d’interactions est le plus élevé. Ainsi on peut dire sans exagérer que les très grandes chambres à fils utilisées dans Atlas muons sont les dignes héritières de l’invention de Charpak.

Dans Atlas comme dans Alice, on utilise ces chambres pour le tri des événements, ce qui permet de réduire considérablement le nombre de données à traiter. Dans Atlas par exemple, quand le taux de collision sera maximum, sur 40 millions de collisions produites par seconde les physiciens n’auront à traiter « que » 200 collisions enregistrées par seconde grâce à ces chambres.

Dans le détecteur LHCb, les cinq plans du détecteur à muons, élément indispensable à l’identification d’évènements contenant des quarks "beaux", situés à l’arrière du spectromètre, sont constitués de chambres proportionnelles multifilaires, à l’exception de la partie centrale du premier plan, qui est équipée de chambres à multiplicateur d’électrons.

Le détecteur CMS quant à lui est un détecteur très compact, dont le matériau de base pour la trajectographie interne est le silicium. Les détecteurs à muons sont principalement des chambres à pistes cathodiques et des chambres à plaques résistives.

Les applications

Aujourd’hui, les détecteurs de Charpak sont utilisés pour la recherche en biologie, et pourraient remplacer les enregistrements photographiques pour les applications de radiobiologie. L’accroissement des vitesses d’enregistrement dans les instruments de diagnostic médical utilisant des faisceaux de particules se traduit par un examen plus rapide et, par conséquent, une diminution des doses injectées dans le corps.

« Sans les procédés qu’il a mis au point, en particulier la chambre proportionnelle multifilaire qu’il a inventée en 1968, on peut affirmer que le programme LHC serait en grande partie impossible aujourd’hui », a déclaré Rolf Heuer, directeur général du Cern pour Le Bulletin du CERN. Et l’aventure n’est pas terminée. Dépassées aujourd’hui en rapidité par les détecteurs au silicium, les chambres propositionnelles multifilaire continueront encore d’équiper des plans de détection de grandes dimensions, soumis à des flux de particules importants.

À voir : Georges Chapark à propos du LHC

Le Prix Nobel Georges Charpak à propos des potentielles découvertes au LHC. (Août 2008). ©CERN
pour en savoir +
Plan du site  |   Contacts  |  Mentions Légales  |  Crédits  |  Accessibilité  |  Flux RSS