Georges Charpak nous a quitté cette semaine et je veux lui rendre hommage, à lui et à sa fameuse chambre à fils inventée au CERN en 1968.

Georges Charpak au CERN derrière une chambre proportionnelle multifilaire (© CERN 1973)

L’homme

Georges Charpak fut un des symboles d’intégration pour la France. Immigré polonais dans les années 30, il devint résistant pendant la seconde guerre mondiale et fut déporté dans le camp de concentration de Dachau. Il survécut et rentra en France à la libération où il fut naturalisé français en 1946 et intègra l’école des Mines. Il fit ensuite son doctorat de physique avec Frédéric Joliot-Curie, rentra au CNRS puis au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire à Genève) en 1963. En 1968, il inventa sa fameuse chambre à fils et obtint le prix Nobel de physique en 1992. C’est ce que j’appelle un succès d’intégration pour la France qui devrait rester une terre d’accueil et d’éducation comme l’a si souvent dit Charpak.

Georges Charpak était apprécié de tous et était un homme modeste mais engagé dans la Science et dans la société où il luttait contre les armes nucléaires et supportait de nombreux projets d’éducation avec son projet la main à la pâte. Je ne vais pas vous faire une biographie complète ici mais pour ceux qui veulent mieux connaitre cet homme de science, je vous suggère cette vidéo de 20 minutes faite l’année dernière à l’occasion de son 85^ème anniversaire au CERN où Charpak nous raconte rapidement sa vie : http://cdsweb.cern.ch/record/1167500.

Avant Charpak : les chambres à bulles

Jusque dans les années 70, la physique des particules se faisait « à la main » dans le sens où les collisions de particules issues des accélérateurs étaient principalement réalisées dans des chambres à bulles.

Une chambre à bulles consiste à remplir de liquide une enceinte close. On utilisait généralement de l’hydrogène liquide qui était maintenu en dessous de -253°C pour rester liquide. On faisait en sorte de réaliser les collisions devant ces chambres où les particules laissaient de petites bulles dans leurs sillages.

Production de jets de particules dans la première chambre a bulles a hydrogène liquide du CERN ; elle ne mesurait que 30 cm de diamètre (©CERN 1970).

On prenait alors des photos de ces bulles pour identifier la trajectoire des différentes particules. Par la suite, la courbure des trajectoires et la densité des bulles permettaient d’identifier les différentes particules. Evidemment, toutes ces mesures se faisaient à la main sur des tables de projection où les différentes photos pouvaient défiler rapidement.  La plus grande chambre à bulles du CERN, BEBC (Big European Bubble Chamber) qui mesurait 3,7 m de diamètre et 4 m de haut a fourni durant sa vie 6,3 millions de photographies (3 000 km de film) analysées entre 1973 et 1984 par près de 600 chercheurs dans le monde.

A gauche : Installation de BEBC, la plus grande chambre à bulles du CERN (©CERN 1971).

A droite : femmes analysant à la main les trajectoires de particules des chambres à bulles sur des tables de projection (©CERN 1962).

Charpak : la chambre à fils

A la fin des années 60, les premiers systèmes électroniques à base de transistors apparaissent et font miroiter des possibilités gigantesques en termes de traitement automatique des données: c’est le balbutiement de l’informatique. Or, les physiciens des hautes énergies réalisent de grandes expériences produisant de très nombreuses données encore difficiles à traiter comme avec les chambres à bulles.

En 1968, Georges Charpak qui était chercheur au CERN invente  alors  un nouveau genre de détecteur de particules qui allait tout simplement révolutionner l’avenir de la physique des particules : la chambre proportionnelle multifilaire, ou plus simplement la chambre à fils, pour laquelle Charpak sera récompensé par le prix Nobel de physique en 1992.

Le principe est en somme relativement simple et facile à concevoir. Une enceinte (chambre) est remplie d’un gaz noble (comme de l’Argon) puis des fils électriques parallèles sont tendus à l’intérieur de manière à faire une sorte de maillage dans un plan. L’extrémité des fils est ensuite connectée à un générateur de tension électrique à une borne positive (anodes) et des plaques conductrices sont intercalées entre les plans des fils et sont reliées à une borne négative (cathodes).

Principe général d’une chambre à fils (© CERN).

 Lorsqu’une particule chargée (c’est-à-dire portant une charge électrique comme un électron ou un muon) traverse la chambre, cette particule ionise le gaz noble (elle « casse » des atomes de gaz en électrons chargés négativement et en ions chargés positivement). Les électrons sont alors attirés par les anodes (reliés à une borne positive) et les ions par les cathodes (reliés à une borne négative). Au bout de l’anode, on place un amplificateur pour permettre la mesure du courant électrique engendré par le déplacement des électrons dans le fil. La mesure de courant sur chaque fil peut être par la suite analysée dans un ordinateur afin de reconstruire la trajectoire de la particule comme avec une chambre à bulles mais de manière automatique.

Ce nouveau type de détecteur a permis de multiplier par un facteur 1000 la vitesse de traitement des données par rapport aux chambres à bulles où il fallait compter « à la main » les particules.

Les chambres à fil aujourd’hui

Le dernier accélérateur de particules du CERN dénommé Large Hadron Collider, ou LHC, permet de produire pas moins de 40 millions de collisions par seconde pendant plusieurs heures. Ces collisions sont réalisées au centre de 4 gigantesques détecteurs. Les détecteurs du LHC utilisent différentes techniques dont des chambres à fils pour détecter des particules chargées comme les muons.

Toutes les collisions du LHC sont  triées automatiquement par des systèmes électroniques puis analysées et reconstruites en 3 dimensions par des systèmes informatiques mobilisant plus de 100 000 processeurs répartis sur 170 centres de calcul dans 34 pays à travers le monde. A chaque seconde, le LHC fournit ainsi autant de données que la grande chambre à bulles BEBC aurait pu fournir pendant 60 ans d’exploitation.

A gauche : Vérification d’une chambre à fils permettant de détecter des muons pour l’expérience ALICE du LHC  (© CERN 2004).

A droite : premiers muons détectés par les chambres à fils de l’expérience ALICE lors des premières collisions dans le LHC (© CERN 2009).

 
 Le principe de la chambre à fils a trouvé d’autres applications en dehors de la physique des particules comme en imagerie médicale. En effet, une méthode très innovante basée sur le principe des chambres à fils permet aujourd’hui de reconstruire en 3D  la colonne vertébrale et le bassin d’un patient avec une précision inégalée (voir ce lien pour plus de détails).

Image en 3D de la colonne vertébrale d’un patient issue du système Radiologique Ultra Basse Dose Eos mis au point à partir des travaux de Charpak sur les chambres à fils (© AP-HP)

Tout le monde connait les images d’échographie faites chez les femmes enceintes pour voir les futurs bébés. Mais comment ces images sont-elles obtenues ?

Echographie d’un fœtus de 3 mois mesurant 4,5 cm.

L’échographie est une technique d’imagerie médicale non invasive (pas de substance à injecter dans les patients) et complètement inoffensive pour l’organisme, contrairement aux autres techniques d’imageries médicales qui peuvent utiliser des rayons ionisants radioactifs (radiographies), de puissants champs magnétiques (IRM) ou des agents de contraste radioactifs (comme la Tomographie par Emission de Positrons).

Des ultrasons qui rebondissent

L’échographie utilise les ultrasons. Ce sont des ondes acoustiques hautes fréquences qui sont inaudibles par l’homme (les ultrasons ont une fréquence de 20kHz à 1GHz). Voir ce billet de blog sur le son pour plus de détails sur les ondes sonores.

Les ultrasons pénètrent plus ou moins bien dans les différents milieux qu’ils traversent. La résistance à la propagation d’une onde acoustique s’appelle une impédance acoustique (généralement notée Z) et se mesure en Pascale seconde par mètre (Pa.s/m). Cette impédance est en fait égale à la densité du matériau multipliée par la vitesse du son dans ce matériau (Z = D * c). Donc plus un matériau est dense et plus la vitesse du son est importante, plus l’impédance acoustique augmente.

De plus, une partie des ondes sonores (et donc les ultrasons) rebondissent lorsque l’impédance acoustique change, c’est-à-dire aux interfaces entre les différents milieux. C’est pour cette raison que sous l’eau, on entend très peu ce qui se passe à la surface car une grande partie des ondes sonores rebondissent sur l’eau et très peu sont transmises sous l’eau car les impédances de l'eau et de l'air sont très differentes.

Le principe de l’échographie revient à balayer à l’aide d’ultrasons une zone à étudier (par exemple l’utérus d’une future maman) et de mesurer et d’analyser les ondes ayant rebondi aux différentes interfaces (l’écho des ultrasons) de manière à reconstituer une image des différents milieux traversés.

Les liquides vont renvoyer très peu d’écho et apparaitront alors en noir à l’écran, les tissus mous renverront un peu d’écho et apparaitront en gris selon l’impédance de ces derniers, et les os ayant une impédance très forte (entre 3,6 et 7 millions Pa.s/m) formeront une image bien blanche.

Réflexions des ultrasons aux interfaces des milieux traversés (dessin de Noémie).

L’échographe

Pour une échographie, le médecin utilise une sonde qui remplit 2 fonctions :

- Emission : La sonde balaye une zone à l’aide d’ultrasons. Ces derniers sont générés à l’aide de matériaux piézoélectriques comme des céramiques qui se déforment lorsqu’ils sont soumis à un champ électrique. Cette déformation entrainent des ondes ultrasonores et la fréquence réglable permet de pénétrer plus ou moins profondément dans le corps selon le type d’échographie réalisée (on augmente la fréquence pour pénétrer plus en profondeur). Le balayage est ensuite assuré soit par un système mécanique, soit par un dispositif électronique de manière à balayer un secteur. C’est pour cette raison que les échographies se présentent généralement sous forme d’une image dans un cône correspondant à la région balayée par la sonde.

- Réception : La sonde capte les échos des ultrasons réfléchis aux interfaces. L’écart de temps entre l’émission et la réception permet de connaitre précisément la profondeur où l’onde a rebondi. De plus, la sonde mesure l’amplitude de l’écho permettant de savoir si une partie importante a été réfléchie ou pas.

Le signal reçu par la sonde est ensuite amplifié par un système électronique puis chaque ligne de tir est reconstituée pour former une image en 2 dimensions. Un point variant entre le noir et le blanc est alors créé en fonction de l’intensité de l’écho. L’espace entre les lignes de tirs est alors complété par interpolation entre les différentes données obtenues de manière à créer une image continue.

Formation d’une image d’échographie ( Source: ENSTA)

On applique également un gel échographique sur la zone à analyser. Ce gel possède une impédance acoustique proche de celle de la peau de manière à ce qu’il n’y ait pas d’air entre la peau et la sonde car l’air ayant une impédance très faible fausserait les mesures. C’est également pour cette raison que l’échographie ne peut pas être utilisée comme méthode d’imagerie médicale pour les poumons ou la trachée qui contiennent de l’air.

Echographie 3D

 Une nouvelle technique d’échographie dite « 3D » a vu le jour durant la dernière décennie et est désormais monnaie courante dans les examens gynécologiques pour voir les fœtus en 3D ! La technique de balayage diffère de l’échographie 2D classique car 3 plans de balayages perpendiculaires sont réalisés pour obtenir des informations volumiques. Des techniques perfectionnées de traitement des données et de rendu surfacique permettent ensuite de reconstituer une image en 3 dimensions.

Echographie 3D d’un fœtus de 3 mois (Source : Le journal des Femmes)

Cette « échographie en relief » permet de diagnostiquer plusieurs malformations du fœtus qui sont extrêmement difficiles à diagnostiquer en échographie 2D, particulièrement les malformations de la face, de la colonne vertébrale et des membres.

En conclusion

L’échographie utilise la réflexion des ultrasons aux interfaces des différents milieux pour reconstituer une image interne de notre corps en noir et blanc. Cette méthode est donc entièrement inoffensive et convient particulièrement bien aux femmes enceintes pour voir le fœtus dans l’utérus (échographie gynécologique). De plus, l’échographie est facile à mettre en œuvre et peu chère pour une imagerie médicale.

Une nouvelle exposition permanente intitulée « Univers de Particules » vient d’ouvrir ses portes au public dans le Globe du CERN. Je viens d’en faire la visite pour vous…

Depuis maintenant 6 ans, la Confédération Helvétique (ou la Suisse si vous préférez) a fait don du « Palais de l’équilibre », ancien pavillon de l’Expo’02 de Neuchâtel, au CERN (l’Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire située à Genève). Ce globe entièrement construit en bois et mesurant près de 27m de haut et 40m de diamètre a alors été renommé « Globe de la Science et de l’Innovation ». Le Globe constitue à présent un des symboles du CERN par son imposante présence le long de la route et visible la nuit à plusieurs kilomètres grâce à son éclairage nocturne.

Le Globe de La Science et de l’Innovation du CERN

Le Globe accueillait jusqu’à présent des expositions temporaires au rez-de-chaussée et une salle était disponible à l’étage pour toutes sortes d’évènements scientifiques comme des conférences, des rencontres, des débats et des animations scientifiques autour de la physique des particules et des accélérateurs.

Depuis le 1^er juillet, l’exposition « Univers de Particules » est désormais permanente au rez-de-chaussée, exposition bien évidemment gratuite, comme toutes les activités de vulgarisation scientifique du CERN. Cette nouvelle exposition plonge le visiteur dans une atmosphère féérique ou des sphères changeant de couleurs apparaissent dans l’obscurité du Globe. J’ai commencé par m’assoir dans des « fauteuil-œufs » et écouter des physiciens m'expliquer ce qu’est la masse et l’antimatière ou comment notre Univers évolue et fonctionne.

En continuant mon itinéraire j’ai vu des « morceaux » de détecteurs de particules avec des explications sur leur fonctionnement et comment le CERN a construit et assemblé ces véritables cathédrales High-Tech.

Un peu plus loin, on découvre une table interactive sur le LHC, le plus grand accélérateur de particules du monde qui constitue le dernier projet du CERN. Cette table permet de comprendre son fonctionnement et ses étonnantes caractéristiques qui en font la machine la plus complexe jamais construite par l’homme. On peut ouvrir et fermer différents panneaux explicatifs et les faire défiler ou se les « envoyer » à travers la table à la manière d’un écran de i-phone géant !!

La Table interactive du LHC permet de découvrir le plus grand accélérateur de particules du monde

On trouve également une chambre à étincelles qui produit des étincelles rouges à chaque fois que certains rayons cosmiques passent à travers et différentes autres sphères interactives au sujet du LHC et de ses objectifs de recherche.

En résumé, je vous conseille d’y aller faire un tour si vous passer dans le coin de Genève, à savoir que cette exposition est bien complémentaire à l’autre exposition permanente du CERN « Microscosm » située juste en face du Globe.

Références

Le site du Globe 

Exposition Univers de Particules

Le site du CERN

Un billet de mon blog sur le LHC