Chambre à nuages

Une chambre à nuages rend l’invisible visible, nous permettant de voir la preuve délicate et vaporeuse qu’il existe de minuscules particules dont l’histoire commence dans l’espace extra-atmosphérique filant à travers chacun d’entre nous, à chaque minute de chaque jour.

Appareil

1 × chambre à nuages
Propanol (alias alcool isopropylique ou IPA)
Glace sèche (dioxyde de carbone solide)

La démonstration

La chambre à nuages est préparée et posée. Quelques instants plus tard, des traînées de nuages apparaissent, apparemment spontanément, à l’intérieur de la chambre. Ces minuscules nuages montrent le chemin des particules chargées à travers la chambre – et, puisqu’il n’y a pas de sources évidentes de particules chargées dans les environs, elles sont évidemment naturelles et omniprésentes…

Comment ça marche

La base de la chambre à nuages est remplie de glace carbonique, et un matériau absorbant près du sommet complètement imbibé de propanol. Le propanol est assez volatile, et forme donc une vapeur au sommet de la chambre. En tombant, la vapeur se refroidit rapidement à cause de la glace sèche et l’air devient « sursaturé » : le propanol veut vraiment se condenser, mais il n’y a rien sur quoi il puisse se condenser. Les particules chargées qui passent dans la chambre font que les molécules de propanol acquièrent une polarisation électrique et sont attirées vers ces particules et les unes vers les autres. Cela leur donne l’impulsion nécessaire pour se condenser en minuscules gouttelettes de liquide dans la chambre, qui apparaissent comme des traînées blanches de nuage le long du trajet des particules.

Cette démonstration est souvent réalisée avec une source radioactive, les particules alpha et bêta provoquant la condensation du propanol, mais elle fonctionne en fait aussi en l’absence de source, à cause des muons des rayons cosmiques qui traversent l’appareil. Les muons sont produits dans l’atmosphère par des protons (les « rayons cosmiques ») qui s’écrasent sur les noyaux des gaz. Ceux-ci produisent une variété de particules filles, mais les seules qui ont typiquement une durée de vie assez longue pour arriver à la surface de la Terre sont les muons.

Les muons sont des électrons lourds, et se désintègrent en un électon et un neutrino avec une durée de vie moyenne de 2,2 μs. Cela fournit en fait un test intéressant de la relativité spéciale : les muons sont typiquement produits à environ 15 km d’altitude dans l’atmosphère, une distance qui prend environ 50 μs pour traverser à la vitesse de la lumière – sur 20 durées de vie de muons. On pourrait donc s’attendre à ce qu’il n’y en ait pratiquement aucun qui s’en sorte ! Cependant, comme ils se déplacent à une vitesse assez proche de celle de la lumière, le temps dans leur cadre de référence est considérablement dilaté tel qu’il est vu par un observateur sur Terre, ce qui signifie qu’une fraction significative peut, en fait, arriver à la surface.

Liens

• YouTube : Comment fabriquer une chambre à nuages

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