Ci dessus : photographie de C. Wilson

Ci-contre : premier type de  chambre à brouillard

La chambre installée dans le hall a été fabriquée au LAL. Lorsqu’elle est en fonctionnement, elle détecte les rayonnements en continu. Elle permet de visualiser le passage des particules chargées (rayons cosmiques ou alpha du radon) qui traversent l’air saturé d’alcool de la chambre. Initialement la chambre à brouillard est un outil de recherche scientifique qui a, entre autres, permis la découverte de l’antimatière (en 1932 par Anderson). Depuis 1950 elle a cédé ce rôle de machine de laboratoire à une fonction d'outil pédagogique et de vulgarisation scientifique.

La chambre à brouillard fut inventée en 1912 par le physicien britannique Charles Wilson (pris Nobel 1927) mais le principe de cette chambre fut découvert en 1896, et utilisé tout d’abord pour tenter de reproduire la formation des nuages. La chambre de Wilson fonctionnait avec une brutale dépression, d’où l’apparition des gouttes de brouillard qui se formaient à partir des ions créés par l’ionisation du gaz au passage d’une particule chargée. Cette chambre avait un fonctionnement cyclique qui pouvait être gênant et demandait un système de déclenchement extérieur. Ce type de détecteur a permis à Anderson de découvrir en 1932 l’antimatière (anti-électron) dans le rayonnement cosmique.

Une amélioration a été apportée en 1938, pour un fonctionnement en continu, c’est la «chambre à diffusion». De l’alcool, sous forme gazeuse, est mélangé à de l’air entre 2 parois. On impose un gradient de température dans le volume air + alcool ; il existe près de la paroi froide une zone sursaturée en alcool, d’où l’apparition d’un brouillard. L’alcool est ainsi dans des conditions de température et de pression où la moindre perturbation le fait passer à l’état liquide. Cette perturbation provient du passage d’une particule chargée.

Lorsqu’une particule chargée traverse le mélange gazeux air-alcool, elle l’ionise en créant des électrons et des ions, les gouttes de brouillard se forment autour des ions et ainsi on peut de manière fugitive visualiser la trace laissée par l’ionisation de la particule.

Un champ électrique continu “efface” sans arrêt les images. La zone utile est peu épaisse et la présence du champ électrique fait dériver les ions vers cette zone ; les images des bulles représentent donc la projection sur un plan des trajectoires des particules chargées.

Afin d'éclairer la trace de condensation laissée par le passage d'une particule chargée, une source lumineuse est créée par un tube néon. Le nuage sursaturé est éclairé de façon latérale, ce qui favorise la visualisation de la trace .

On peut voir dans la chambre des traces longues très rectilignes (les muons), des traces en zigzag (les électrons) et des traces très denses et courtes (les alpha). On peut même deviner sur certaines trajectoires, en fin de trajectoire, une densité de bulles un peu plus forte, c’est le fameux pic de Bragg.

Ce type de chambre n’est plus utilisé pour des expériences, mais a été un des premiers types de détecteur de particules avec la chambre d’ionisation, le détecteur Geiger, le détecteur proportionnel et bien évident la plaque photographique qui avait permis à Röntgen en 1895 de détecter les rayons X et à Becquerel en 1896 de détecter la radioactivité de l’Uranium. Puis il y eut la mise au point des chambres à bulles, des chambres à étincelles et enfin des chambres à fils en 1968 qui valut à G. Charpak le prix Nobel de physique en 1992.

Chambre à brouillard et prix Nobel

Charles Thomson Rees Wilson (1869 à Glencorse, Écosse - 1959 à Carlops, Écosse),  physicien britannique (écossais). Il est lauréat d'une moitié du prix Nobel de physique de 1927 « pour sa méthode qui permet de rendre visible, par condensation de la vapeur, le chemin des particules électriquement chargées »  (l'autre moitié a été remise à Arthur Holly Compton).

Patrick Maynard Stuart Blackett (1897 - 1974),  physicien britannique. Il est lauréat du prix Nobel de 1948 pour son développement de la méthode de la chambre à brouillard de Wilson et ses découvertes faites avec elle dans les domaines de la physique nucléaire et du rayonnement cosmique (for his development of the Wilson cloud chamber method, and his discoveries therewith in the fields of nuclear physics and cosmic radiation).