Georges Charpak received the 1992 Nobel Prize in Physics for his 1968 invention of the multi-wire proportional chamber, which revolutionised particle detection
De gauche Ă  droite : Georges Charpak, Fabio Sauli et Jean-Claude Santiard travaillent sur une « chambre proportionnelle multifils », en 1970. Cette chambre, dĂ©veloppĂ©e par Georges Charpak en 1968, est une enceinte remplie de gaz comportant des fils de dĂ©tection parallĂšles connectĂ©s chacun Ă  un amplificateur. Ce dispositif, reliĂ© Ă  un ordinateur, permettait d’obtenir un taux de comptage mille fois supĂ©rieur Ă  ceux des techniques existantes, sans nĂ©cessiter d’appareil photographique. (Image : CERN)

Les progrĂšs de la recherche fondamentale en physique des particules reposent souvent sur la mise au point de dĂ©tecteurs de plus en plus prĂ©cis, rĂ©agissant de plus en plus vite, couvrant des surfaces toujours plus vastes. Les premiers dĂ©tecteurs utilisĂ©s au CERN ne rĂ©pondent que partiellement Ă  ces exigences, puisqu’ils reposent essentiellement sur des mĂ©thodes photographiques qui ne se prĂȘtent pas Ă  l’étude d’interactions trĂšs rares, pour lesquelles il faut sĂ©lectionner les quelques Ă©vĂ©nements intĂ©ressants sur les millions d’interactions observĂ©es. Pour ces Ă©tudes, il faut augmenter considĂ©rablement la vitesse de collecte des donnĂ©es.

En 1968, Georges Charpak utilise un systĂšme bien connu, le compteur proportionnel, pour construire un nouveau type de dĂ©tecteur : la « chambre proportionnelle multifils ». Dans un compteur proportionnel, une tension Ă©lectrique est appliquĂ©e aux bornes d’un tube rempli de gaz au centre duquel passe un fil. Au passage des particules, le gaz est ionisĂ©, ce qui dĂ©clenche une rĂ©action en chaĂźne qui gĂ©nĂšre un signal Ă©lectrique sur le fil. Ce signal permet de connaĂźtre l’emplacement de la premiĂšre ionisation.

Georges Charpak a l’idĂ©e, au lieu d’utiliser un tube et un seul fil, de recourir Ă  une enceinte remplie de gaz Ă©quipĂ©e de nombreux fils de dĂ©tection parallĂšles. Chaque fil est connectĂ© Ă  un amplificateur Ă  transistor et fonctionne ainsi comme un compteur proportionnel indĂ©pendant. Ce dispositif, reliĂ© Ă  un ordinateur, permet d’obtenir une vitesse de comptage mille fois supĂ©rieure Ă  celle des dĂ©tecteurs de l’époque et une rĂ©solution spatiale de l’ordre du millimĂštre. Un dĂ©veloppement ultĂ©rieur, la chambre Ă  dĂ©rive, atteint une rĂ©solution spatiale meilleure encore, de quelques fractions de millimĂštre. L’invention rĂ©volutionne la dĂ©tection des particules, la faisant entrer dans l’Ăšre Ă©lectronique.

Actuellement, presque toutes les expĂ©riences menĂ©es en physique des particules font appel Ă  un dĂ©tecteur de trajectoire fondĂ© sur les principes des chambres proportionnelles multifils. Cette technique est aussi utilisĂ©e dans d’autres domaines, tels que la biologie, la radiologie et la mĂ©decine nuclĂ©aire.

TĂ©moignage

Les recherches sur les dĂ©tecteurs en physique des hautes Ă©nergies peuvent ĂȘtre une source d’importantes avancĂ©es dans d’autres domaines – Ă  condition que des personnes expĂ©rimentĂ©es aient la libertĂ© d’aborder des problĂšmes qui ne soient pas directement liĂ©s Ă  l’objectif principal de leur laboratoire.

Georges Charpak
Georges Charpak (ici en 1978) a reçu le prix Nobel de physique en 1992 « pour l’invention et le dĂ©veloppement de dĂ©tecteurs de particules, en particulier de la chambre proportionnelle multifils ». (Image : CERN)

Georges Charpak arrive au CERN en 1959. Au cours de sa carriĂšre, il travaille sur diffĂ©rentes expĂ©riences et met au point de nombreux dĂ©tecteurs qui auront des rĂ©percussions majeures en physique des particules. Il reçoit le prix Nobel de physique en 1992 pour l’invention et le dĂ©veloppement de dĂ©tecteurs de particules, en particulier de la chambre proportionnelle multifils.

« Je n’ai pratiquement jamais dĂ©marrĂ© l’étude d’un dĂ©tecteur sans avoir Ă  rĂ©soudre un problĂšme pour mes propres expĂ©riences ou Ă  surmonter les difficultĂ©s auxquelles se trouvait confrontĂ©e la communautĂ© dans laquelle je travaillais. Dans les annĂ©es 1960, l’un de ces problĂšmes venait des chambres Ă  bulles, les principaux outils en physique des particules, qui rencontraient un seuil de saturation. Avec prĂšs de 10 millions de photos prises chaque annĂ©e, la communautĂ© mondiale de physique des hautes Ă©nergies avait atteint le volume maximal de photographies pouvant raisonnablement ĂȘtre traitĂ©es par l’Ɠil humain.

D’autres dĂ©tecteurs, les chambres Ă  Ă©tincelles, Ă©taient dĂ©clenchĂ©s par des dĂ©tecteurs rapides pour sĂ©lectionner des Ă©vĂ©nements noyĂ©s dans un flot d’interactions inintĂ©ressantes. Cette technique se heurtait pourtant Ă  la mĂȘme limite de millions d’images Ă  analyser. À ce moment, ayant terminĂ© avec succĂšs l’expĂ©rience pour laquelle j’étais venu au CERN, la mesure du moment magnĂ©tique du muon, je me mis Ă  rĂ©flĂ©chir Ă  une mĂ©thode permettant de dĂ©terminer la position d’une Ă©tincelle dans une chambre Ă  Ă©tincelles sans devoir prendre une photographie [
].

La rĂ©volution des amplificateurs Ă  transistors permit l’émergence d’une nouvelle idĂ©e [
]. GrĂące Ă  l’expĂ©rience acquise dans la construction de compteurs proportionnels monofils pour ma thĂšse de physique nuclĂ©aire des basses Ă©nergies, je conçus une petite chambre de 10 centimĂštres sur 10, avec des composants simples qui permettaient Ă  chaque fil de fonctionner comme un compteur proportionnel monofil. En testant la chambre, j’observais des impulsions proportionnelles Ă  l’énergie perdue par les particules traversant le gaz. Plusieurs propriĂ©tĂ©s ouvraient la voie Ă  des dĂ©tecteurs innovants : les impulsions dĂ©tectĂ©es sur les fils anodes n’étaient pas produites par les Ă©lectrons des avalanches mais par le mouvement des ions positifs induisant des impulsions de polaritĂ© opposĂ©e sur les fils voisins. Le fil collectant l’avalanche d’électrons pouvait ainsi ĂȘtre facilement identifiĂ©. Une frĂ©quence d’un million d’impulsions dĂ©tectĂ©es par seconde pouvait ĂȘtre obtenu, soit 1 000 fois plus qu’avec les chambres Ă  Ă©tincelles.

Les impulsions avaient un retard de quelques nanosecondes par rapport aux particules initiales, ce qui permettait de mesurer facilement la distance de la trajectoire jusqu’au fil. Cela ouvrit la voie Ă  une autre percĂ©e majeure : les chambres Ă  dĂ©rive, qui permirent de construire de vastes surfaces de dĂ©tection avec un petit nombre de canaux Ă©lectroniques et des prĂ©cisions de l’ordre de 100 microns. Les impulsions positives induites sur les cathodes permirent de construire des dĂ©tecteurs bi-dimensionnels essentiels pour localiser les rayons X ou les neutrons.

Je commençais aussi Ă  m’intĂ©resser Ă  l’application des dĂ©tecteurs Ă  d’autres domaines. En 1974, en collaboration avec le laboratoire de Saclay en France, mon groupe entreprit l’exploration du corps humain avec des faisceaux de particules Ă  haute Ă©nergie. Les chambres Ă  fils donnant la position des particules entrantes et sortantes, nous eĂ»mes l’idĂ©e de cartographier en trois dimensions la rĂ©partition de la densitĂ© Ă  l’intĂ©rieur d’un corps vivant sans avoir Ă  faire tourner ni la source, ni le corps, ni le dĂ©tecteur. AprĂšs des rĂ©sultats initiaux satisfaisants, nous arrĂȘtĂąmes le projet car aucun accĂ©lĂ©rateur abordable ne semblait se profiler pour cette application.

Toutefois, les recherches sur les dĂ©tecteurs en physique des hautes Ă©nergies peuvent ĂȘtre une source d’importantes avancĂ©es dans d’autres domaines – Ă  condition que des personnes expĂ©rimentĂ©es aient la libertĂ© d’aborder des problĂšmes qui ne soient pas directement liĂ©s Ă  l’objectif principal de leur laboratoire. De prĂ©cieuses solutions pourront probablement ĂȘtre trouvĂ©es dans beaucoup de domaines grĂące aux efforts dĂ©ployĂ©s pour construire Ă  faible coĂ»t les dĂ©tecteurs de particules Ă  grande vitesse et extrĂȘmement prĂ©cis qu’exigera la prochaine gĂ©nĂ©ration d’accĂ©lĂ©rateurs. »

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Cet entretien est adaptĂ© du livre « Infiniment CERN » publiĂ© en 2004 Ă  l’occasion du 50e anniversaire du CERN. Georges Charpak est dĂ©cĂ©dĂ© en 2010 Ă  l’Ăąge de 86 ans. Pour en savoir plus, lisez cet article du CERN Courier qui lui est consacrĂ© (en anglais).

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