Atelier de physique : Détection des rayons cosmiques à l’aide d’une chambre à étincelles

Les rayons cosmiques sont le produit de l’interaction d’une particule (généralement un proton) venue de l’univers avec les hautes couches de l’atmosphère. Il s’opère alors une matérialisation de l’énergie cinétique de cette particule, donnant naissance à d’autres particules, moins énergétiques, qui vont soit se désintégrer, soit interagir à leur tour, et dans les deux cas donner naissance à de nouvelles particules, et ainsi de suite. Cela crée une gerbe de particules que l’on appelle cosmiques. Certaines de ces particules arrivent jusque sur terre. C’est le cas des muons que la chambre à étincelles peut détecter.

La chambre à étincelles est remplie d'un mélange de gaz nobles (néon et hélium en général). Une série de plaques métalliques parallèles, séparées de 1 cm, est placée dans l’enceinte. Les muons cosmiques traversent la chambre et ionisent le gaz durant quelques microsecondes. Deux plaques de scintillateurs avec photomultiplicateurs associés, mis en coïncidence, déclenchent une impulsion de haute tension (8 kV) entre les plaques. Le gaz ionisé est devenu conducteur, et des étincelles éclatent alors aux endroits où sont passées les particules. On peut ainsi voir à l’œil nu la trajectoire des particules ayant traversé à la fois la chambre et les deux scintillateurs.

Les chambres à étincelles sont des détecteurs de particules utilisés dans les années 1960-1970. Elles ont été progressivement remplacées par les chambres à fils de G. Charpak, car elles ne pouvaient compter que quelques coups par seconde. Elles ont cependant permis plusieurs découvertes, les plus notables étant celles du neutrino du muon (1962) et du lepton tau (1975), qui ont donné lieu à l’attribution du prix Nobel de physique. Des chambres à étincelles ont également été employées en astrophysique, pour l’étude des sources de rayons gamma, notamment sur le premier satellite artificiel destiné à l'étude de ces rayonnements très énergétiques issus de pulsars (1972).