Archives mensuelles : juin 2008

Voyage au cœur de la lumière

Je remercie Alex pour m’avoir offert le dernier livre de Trinh Xuan Thuan intitulé Voyage au cœur de la lumière (aux éditions Découvertes Gallimard) pour mon anniversaire, même avec 1 mois de retard !Ce livre retrace l’histoire de la lumière, comme si cette chose insaisissable qui a toujours éveillé la curiosité de l’homme était bien vivante !! On commence avec le « Fiat Lux » de la Genèse, pour continuer avec les réflexions lumineuses des Egyptiens, des Grecs, des Arabes et des lumières dans l’Europe du XVIIIième siècle. J’ai appris avec stupeur qu’on a longtemps pensé que la lumière provenait de notre œil, ce n’est qu’à Bagdad au Xième sièle qu’Alhazen formule l’hypothèse que la lumière est extérieure à l’homme !

Le deuxième chapitre expose brièvement l’opposition onde-corpuscule de la lumière en résumant toute l’histoire de la recherche de la nature de la lumière. Pourquoi se comporte t-elle parfois comme une onde (expérience des fentes d’Young) et parfois comme un corps (photons quantifiés) ? On démarre avec Huygens qui est le premier a formuler une théorie ondulatoire de la lumière, c’est aussi le premier à mesurer sa vitesse qu’il établi correctement autour des 300 000 km/s en 1678. On parle ensuite de Maxwell avec sa théorie électromagnétique  puis on bascule dans la physique quantique en
mentionnant les célèbres Einstein, Planck, Bohr et Feynman.



Le troisième chapitre parle astrophysique et cosmologie, les illustrations sont tout simplement époustouflantes et on a vraiment l’impression d’être un petit photon qui gambade dans l’Univers. On sent bien ici que Trinh Xuan Thuan est astrophysicien et il sait transmettre sa passion du cosmos au lecteur. Il fait bien évidemment référence au Big-Bang, au rayonnement fossile et à toute cette masse sombre et cette énergie noire qui baignent notre Univers mais qui ne nous envoie malheureusement pas de lumière !!

Le dernier chapitre, quant à lui, retrace l’apprivoisement de la lumière par l’homme. De la torche au LASER en passant par la lampe à huile, à pétrole et à gaz. La lumière commence à remplacer petit à petit l ‘électronique et devient la base de toutes les technologies.

On retrouve également en fin d’ouvrage divers textes historiques de Descartes, Huygens, Newton, Einstein et d’autres… En bref, je vous conseille cette lecture passionante, que vous soyez un lecteur averti ou non !

Accélérer des particules ?

Quand on parle des accélérateurs de particules, on parle de cyclotrons, de synchrotrons, de collisionneurs, comment fonctionnent toutes ces machines, et surtout, quels sont leurs buts?

Objectif ?
Accélérer des particules le plus vite possible pour ensuite provoquer des collisions soit sur une cible fixe, soit les unes contre les autres.



Complexe d’accél
érateurs du CERN à Genève

Pourquoi ?

Pour mieux comprendre la constitution et les interactions de la matière qui nous entoure. On cherche à « casser » des particules pour pouvoir ensuite détecter de quoi elles sont constituées ou pour les transformer en d’autres particules.

Comme masse et énergie sont équivalentes (le fameux E=mc² de la relativité d’Einstein), on peut par exemple transformer des « grosses » particules accélérées en énergie pure et en d’autres « petites » particules suite à des processus de désintégrations. C’est comme si on projetait 2 voitures l’une
contre l’autre à grande vitesse et qu’on analysait ensuite les pièces éparpillées sur le sol pour comprendre le fonctionnement des voitures… Autant dire que ce n’est pas gagné d’avance ! On comprend aisément ici que plus les voitures vont vites, plus on va venir « fabriquer » des petits morceaux élémentaires de la voiture.

Il faut aussi souligner que les accélérateurs sont largement utilisés dans tout ce qui est imagerie médicale, pour la radiothérapie, ainsi qu’en spectroscopie pour analyser des échantillons de matière pour les dater ou pour trouver leur composition (police scientifique, archéologues…) .

Quelle particules ?

On n’accélère pas n’importe quelle particule, mais toujours des particules (ou anti-particules) chargées, c’est-à-dire les particules possédant une charge électrique positive (comme les protons ou les positrons) ou négative (comme les électrons ou les anti-protons) car toutes les techniques d’accélération et de guidage des particules dans les accélérateurs se basent sur l’électromagnétisme (voir article sur l’électromagnétisme). On
peut donc également accélérer des ions (qui sont par définition chargés positivement ou négativement) mais pas des neutrons ou des neutrinos qui sont des particules neutres sans charge
électrique.

Quelles énergies ?

On ne parle jamais de la vitesse des particules mais plutôt de leur énergie car c’est bien ce qui compte. Une voiture de 500kg à 100km/h a la même énergie qu’un semi remorque de 5 tonnes à 30km/h. En physique des particules, on mesure toujours les énergies en électronVolt (eV), cette unité correspond à l’énergie d’accélération donnée à un électron soumis à une tension de 1 Volt. On obtient donc 1 eV =1,6 10-19 Joules.

L’accélérateur de particule LHC au CERN aura une énergie de collision de 14 milliers de milliards d’électronVolt, soit 14 TeV = 2,24 micro Joule, c’est-à-dire l’énergie d’un moustique en plein vol mais dans un volume plusieurs milliards de
fois plus petit qu’un moustique !! 

Les accélérateurs linéaires ?

Les premiers accélérateurs étaient linéaires, ils consistaient simplement à appliquer une tension fixe aux bornes d’un tube à vide pour accélérer des particules avec le champ électrique. On parle d’accélérateurs à redresseur puis d’accélérateurs électrostatiques, capables d’atteindre des énergies de 100MeV en appliquant 100 Millions de Volt !

Les cavités Radio-Fréquence (RF) sont ensuite apparues. Ces accélérateurs sont souvent appelés LINAC (Linear accelerator) et sont généralement utilisés comme injecteur dans les grands complexes d’accélérateurs comme au CERN. Ils sont basés sur le même principe que les accélérateurs électrostatiques mais cette fois ce n’est plus une énorme tension fixe mais de faibles tensions qui oscillent à des fréquences très élevées dans des cavités en forme de ballons aplatis. On peut atteindre plusieurs dizaines de milliards d’électronVolt avec cette technologie (dizaines de GeV).



Accélérateur à redresseur (1937), cavités RF du LEP au CERN (1989)

Les accélérateurs circulaires ?

 Les premiers accélérateurs circulaires sont les cyclotrons, ils accélèrent les particules en spirale dans un champ magnétique fixe créé par un aimant massif. Ils font au maximum quelques mètres de diamètre et peuvent atteindre des énergies de quelques dizaines de MeV. Dans ces accélérateurs, l’accélération n’est plus basée sur une différence de potentiel électrique mais sur la force centripète générée par un champ magnétique. En effet, si on fait tourner une particule dans un champ magnétique fixe, sa fréquence de rotation est indépendante du rayon de sa trajectoire donc si ce rayon augmente, alors la particule parcourt plus de distance dans le même temps (elle est donc accélérée). Plus on va venir faire tourner une particule dans un grand cercle, plus elle va vite jusqu’à une certaine limite. Lorsqu’on se rapproche de la vitesse de la lumière, la relativité intervient car dans ce cas, l’énergie se transforme en masse et c’est comme si la particule était plus lourde…

Les Synchrotrons, quant à eux, sont formés de plusieurs sections circulaires entrecoupées de sections droites. Les sections droites sont constituées de cavités accélératrices Radio-Fréquence classiques permettant d’accélérer les particules comme dans un LINAC ou permettent d’injecter un faisceau. Les sections courbes sont composées d’aimants permettant simplement de courber le faisceau de particules de manière à conserver une trajectoire circulaire. Ce procédé, très performant, est l’équivalent d’un accélérateur linéaire de plusieurs milliers de kilomètres car les particules passent énormément de fois dans les cavités accélératrices puisqu’elles tournent en rond ! Evidemment, le champ magnétique dans les sections courbes et la fréquence des cavités doivent être ajustés au fur et à mesure que l’énergie du faisceau augmente pour conserver la bonne trajectoire. On peut atteindre plusieurs centaines de GeV avec cette technologie (PS ou SPS au CERN).



Jusqu’ici tous ces accélérateurs produisaient des faisceaux de particules que l’on projetait sur des cibles fixes. On a ensuite pensé à imbriquer 2 synchrotrons en sens inverses de manière à provoquer des collisions frontales entre les particules à des points de collision où les faisceaux se croisent, c’est ce qu’on appelle un collisionneur. De telles machines peuvent atteindrent plusieurs milliers de milliards d’électronVolt (TeV), comme le Tevatron à Fermilab (1 TeV) ou le LHC au CERN (14 TeV).



Coupe d’un « Dipôle LHC » : les 2 tubes faisceaux où les particules circulent en sens opposé sont entourés d’un aimant dipolaire permettant de courber la trajectoire.

Des supraconducteurs à –272°C dans les accélérateurs?

Oui, le LHC c’est 27 km d’aimants supraconducteurs à -272°C (1.9K). On en reparle dans un article futur… Supraconducteurs et Cryogénie seront au programme !

Les yeux rouges sur les photos

C’est arrivé à tout le monde, une photo avec flash et surprise: les yeux sont rouges vifs tel un lapin atteint de myxomatose! Cet effet n’est pas un problème des appareils photos comme beaucoup de gens le croient, nous avons vraiment les yeux rouges lors d’une photo prise de face avec un flash, mais pourquoi ?



Notre œil est composé de l’iris qui fait la couleur de nos yeux et d’une pupille noire en son centre. Les rayons lumineux entrent par la pupille et une image se forme sur notre rétine. La zone de convergence des faisceaux au centre de la rétine est appelée la macula. De nombreux vaisseaux sanguins irriguent la rétine et la macula, ce qui confère une couleur rouge à cette zone. Nos pupilles se dilatent plus ou moins selon la lumière, ainsi, dans la nuit, notre pupille est dilatée au maximum pour absorber le maximum de lumière. Si un éclair bref et violent comme un flash est émis, notre pupille n’a pas le temps de se rétracter et le flash éclaire alors directement le fond de notre œil. Si la photo est prise de face, le flash éclaire directement la macula qui est bel et bien rouge. Résultat : Nos pupilles apparaissent rouges sur la photo.

 

Fond de l’œil : la rétine parcourue par des vaisseaux sanguins avec au centre la macula

Pour éviter cet effet yeux rouges, certains appareils possèdent un flash anti-yeux rouges qui émet un premier flash avant d’émettre le flash final permettant de prendre la photo dans l’obscurité. De cette manière, notre pupille se rétracte lors du premier flash et nous n’avons donc plus les yeux rouges lors du second flash vu que la pupille n’est plus dilatée.

Pour conclure, on peut éviter les yeux rouges sur une photo avec un « pré-flash » ou en prenant la photo de biais de manière à ne pas éclairer le fond de l’œil directement. On trouve également des filtres anti-yeux rouges dans les logiciels de retouche photo afin de remplacer le rouge par une couleur foncée. Cela marche bien mais il ne faut pas trop zoomer auquel cas la retouche est visible.