Il y a 50 ans, Charpak révolutionnait les détecteurs

De gauche à droite, Georges Charpak, Fabio Sauli et Jean-Claude Santiard en train de travailler sur une chamber multifils en 1970. (Image : CERN)

Il y a cinquante ans aujourd'hui Georges Charpak, qui travaillait alors au CERN, révolutionnait la détection de particules en publiant un article décrivant son invention : un nouveau système de détection de particules. La nouvelle technique permettait d'enregistrer des millions de traces de particules à chaque seconde, au lieu d'une ou deux avec les méthodes traditionnelles La chambre proportionnelle multifils venait de voir le jour.

Jusqu'en 1968, le travail pratique de détection des particules consistait essentiellement à scruter des milliers de photographies produites dans des chambres à bulles ou des chambres à étincelles, des tubes à décharge ou des compteurs à scintillation afin de chercher des traces intéressantes laissées par les débris de collisions de particules. Pour découvrir de nouvelles particules ou de nouveaux phénomènes, il faut bien souvent rechercher des interactions rares, survenant dans un événement sur un milliard.  Les méthodes anciennes, reposant sur l'examen de photographies, ne permettaient pas de repérer rapidement cet événement, si bien que la découverte de phénomènes nouveaux et de particules inconnues était un travail très fastidieux.

L’arrivée des amplificateurs à transistor sera une révolution ; une caméra peut détecter une étincelle, mais un fil de détection raccordé à un amplificateur est capable de détecter un effet bien plus ténu. Georges Charpak comprend alors qu'à l'aide de l'électronique moderne, et en reliant le détecteur directement à un ordinateur, il devient possible d'accroître fortement le recueil de données. Le 23 février 1968, il publie, en collaboration avec des collègues, un article intitulé « The use of multiwire proportional counters to select and localize charged particles ».

La chambre multifils utilisait un instrument beaucoup plus ancien, à savoir le compteur proportionnel, par exemple un tube Geiger-Müller, de façon innovante.

Dans un compteur proportionnel, une tension électrique est appliquée aux bornes d'un tube rempli de gaz et au centre duquel passe un fil. Le gaz est ionisé, et les électrons libérés des atomes de gaz migrent vers le fil situé au centre du tube. Là, en raison du champ électrique élevé, ces ions négatifs se déplacent plus rapidement, ionisant alors davantage d'atomes de gaz, ce qui libèrent davantage d'électrons ; ceux-ci sont à leur tour accélérés, et ainsi de suite. Cette avalanche d'ions crée un signal électrique sur le fil, ce qui révèle l'emplacement de la première ionisation.

Charpak a eu l'idée, au lieu d'utiliser un tube et un seul fil, de recourir à une enceinte remplie de gaz et équipée de nombreux fils de détection parallèles. Chaque fil était connecté à un amplificateur à transistor et fonctionnait ainsi comme un compteur proportionnel indépendant. Ce dispositif, relié à un ordinateur, permettait d’obtenir une vitesse de comptage mille fois supérieure à celle des autres détecteurs existant à l’époque.

L'invention a révolutionné la détection de particules, la faisant entrer dans l'ère électronique.

En 1992, Charpak a reçu le prix Nobel de physique pour cette avancée remarquable dans les techniques d'exploration des profondeurs de la matière, et, aujourd'hui, beaucoup d'expériences de physique des particules utilisent de façon habituelle un détecteur s'appuyant sur le principe de la chambre proportionnelle multifils de Charpak. Ce type de détecteur a permis des découvertes importantes en physique des particules, y compris le quark charmé, les bosons W et Z et le gluon, et a plusieurs autres applications dans les domaines de la médecine et de la biologie.

Georges Charpak, à côté d'une lentille et d'une chambre proportionnelle multifils, photographié en 1973, cinq ans à peine après la publication de l'article décrivant le nouveau dispositif. (Image : CERN)


Pour en savoir plus, vous pouvez lire ces articles de CERN Courier (en anglais) :

An interview with George Charpak on the occasion of his 85th birthday.

A tribute to George Charpak by his friend and colleague, Ioannis Giomataris.