Vulgarisation scientifique

Chambre à Brouillard de Wilson

Initialement conçue pour étudier le phénomène de formation des nuages, la chambre a brouillard est un dispositif permettant de visualiser le rayonnement pénétrant dans un volume clos de l'appareil. Elle est particulièrement bien adaptée pour visualiser le rayonnement cosmique, visible à tout endroit sur Terre (sauf en grande profondeur...).

Son principe est illustré par la figure ci-contre. Une vapeur saturée en alcool est créée entre deux plaques, l'une dite 'froide' portée à -35°C, l'autre dite 'chaude' à 15°C et éloignées l'une de l'autre de quelques centimètres seulement.

Le passage d'une particule provoque l'ionisation locale de la vapeur saturée en alccol. Sa trajectoire est ainsi matérialisée par la condensation de la vapeur.

Inventée en 1912, il s'agit là du premier détecteur de particules de l'Histoire et son inventeur, C.T.R. Wilson, fut récompensé du Prix Nobel de Physique en 1927 pour sa réalisation.

Les particules du rayonnement cosmique (ou de tout autre source radioactive pouvant émettre des particules traversant les parois en verre de l'enceinte) peuvent par ailleurs être identifiée en fonction de l'énergie qu'elles déposent sur leur parcours. Plus celle-ci sera importante, plus la densité de goutelettes d'alcool formées sur la trajectoire de la particule sera grande. Ainsi :

Les traces fines et non rectilignes sont dues à des particules légères qui intéragissent beaucoup dans leur environnement : des électrons (ou particules β),
Les traces fines rectilignes sont caractéristiques de particules qui intéragissent peu et déposent peu d'énergie dans leur environnement : des muons,
Les traces épaisses sont dues à des particules lourdes qui déposent rapidement la totalité de leur énergie sur un parcours très court dans la matière : protons ou particules α principalement.

Billotron

Le billotron est un dispositif conçu et réalisé par le LPC Caen afin d'illustrer les méthodes avec lesquelles les physiciens de l'infininiment petit sont capables d'étudier les structures élémentaires de la matière, ici le noyau de l'atome.
Lauréat du concours Têtes chercheuses 2010, le billotron reprend le principe de l'expérience de Rutherford, réalisée en 1911 par le physicien anglais du même nom. Celle-ci consiste en l'envoi de particules alpha (des noyaux d'hélium) issues d'une source d'Uranium sur une mince feuille d'or. Des détecteurs placés tout autour de la feuille permettaient de mesurer les particules déviées à différents angles. C'est par l'analyse de la déviation de ces particules alpha que Rutherford a pu mettre en évidence la structure de l'atome, formé d'un coeur extrêmement compact et petit au centre, qui s'avérera être le noyau de l'atome. Cette expérience signe ainsi le début de la physique nucléaire il y a désormais 100 ans...

Le billotron se présente sous la forme d'un plateau circulaire d'un mètre de diamètre sur lequel est posé une forme moulée représentant l'objet à sonder (potentiel). Cette forme peut etre variable : en forme de creux (potentiel attractif) ou de bosse (potentiel répulsif) par exemple.

En vis-à-vis du plateau sont placés une rampe de lancement de billes et un collecteur. La rampe de lancement est compartimentée de sorte à utiliser des billes de couleurs différentes par paramètre d'impact. Les billes déviées par la forme centrale sont collectées sur le pourtour du plateau par une série de 15 collecteurs, couvrant ainsi l'ensemble du domaine angulaire de 0 à 360 degrés autour de l'objet analysé et dirigées vers le collecteur, dans lequel elles dessinent la distribution angulaire de diffusion sur l'objet. Le dispositif est présenté sur la photographie ci-contre.

En complément du dispositif expérimental, une simulation numérique a été développée de sorte à permettre au public de comprendre et anticiper la diffusion des billes sur le potentiel.

Lauréat du Prix Sclümberger, le billotron a été financé à hauteur de 10000 euros par la fondation. Il a bénéficié de plusieurs articles dans la presse locale et spécialisée : Caen mag, Connexion magazine, Relais d'sciences, Ouest-France.

Le dispositif, par ailleurs conçu mobile, continue à être présenté dans les établissements scolaires bas-normands ainsi que lors de différentes manifestations telles que la Fête de la science, les forums des métiers, les journées potes-ouvertes du laboratoire ou de l'université...

• The Billotron: a way to experimentally apprehend the subatomic world. A Chapon et al. 2015.

  

Nucleus

Nucleus est un jeu conçu et réalisé par le LPC Caen afin d'illustrer les lois de décroissances nucléaires sous la forme de jeu. Il permet de mieux comprendre et d'illustrer les décroissances radioactives ainsi que le parcours de transformation des noyaux radioactifs en noyaux stables. Le jeu consiste à réaliser le parcours de décroissance (radioactivité) d'un noyau A vers un noyau B. Les parcours ont été construits en fonction des activités du laboratoire de manière à illustrer différents aspects de la recherche en physique nucléaire comme la nucléosynthèse, les isotopes radioactifs utilisés en médecine, la radioactivité naturelle ou encore la production d'énergie par fission. Le public est invité à jouer sur un plateau de plus de 4m50 de long, avec un nombre de cases qui avoisinent les 3000 !

Le jeu se compose d'un plateau représentant la carte des noyaux en fonction des nombres de neutrons et de protons qui le composent.

Ainsi, chacune des cases du plateau représente un des 2938 noyaux liés connus. Or, un noyau peut décroître suivant différents mécanismes. Ceux-ci sont symbolisés par les couleurs de six compartiments dessinés dans la case : chaque couleur correspondant à une décroissance à laquelle est aussi associée une carte à jouer.

Pour se déplacer d'un noyau à l'autre, le joueur devra avoir dans son jeu la carte de décroissance voulue, mais en plus, tirer au dé la probabilité de décroissance du noyau.

	En 1908, E. Rutherford parvient à prouver que les rayonnements α sont en fait des noyaux d'hélium, c'est-à-dire des noyaux composés de 2 protons et 2 neutrons. La radioactivité α est le mode privilégié de désintégration des noyaux radioactifs lourds (A > 150). La particularité de la particule α est de sortir du noyau par “effet tunnel” : il joue au passe-muraille en traversant le mur d'énergie qui maintient les protons et les neutrons à l'intérieur du noyau.
	La radioactivité β a été découverte en même temps que la radioactivité alpha. Si le rayonnement β- a été rapidement identifié aux électrons, il a fallu attendre la découverte de l'anti-particule de l'électron (positive : le positon), pour l'assimiler au β+, en 1932. Les décroissances β± sont présentes des noyaux les plus légers aux plus lourds ; elles transforment les protons en neutrons ou les neutrons en protons et permettent de rendre plus stables des éléments riches ou déficients en neutrons.
	La fission spontanée est une forme de désintégration radioactive caractéristique des isotopes lourds. Lors d'une fission, le noyau se scinde en deux parties plus ou moins égales. Pour induire la fission, on bombarde généralement le noyau de neutrons. La fission rejetant également des neutrons elle peut donc engendrer une seconde fission, qui à son tour... On parle alors de "réaction en chaîne". C'est ce mécanisme qui est utilisé pour produire de l'énergie dans les centrales nucléaires.
	Les noyaux peuvent également réagir entre eux ou avec certaines particules (électrons, protons, photons, neutrons...). Si un nombre restreint de réaction est utilisé et étudié, les possibilités sont en principe illimitées. Ainsi, grâce à un accélérateur, il est possible, à partir de n'importe quel noyau, de générer un noyau différent, souvent dans son voisinage.

Plusieurs cartes mission permettent aux joueurs de déterminer les décroissances successives nécessaires à transformer un noyau en un autre, en passant éventuellement par une étape obligatoire. Les missions sont caractéristiques d'activités de recherches menées au LPC Caen : applications médicales, aval du cycle, radioactivité naturelle...

KiQoiKes

Le kiqoikes n'est rien d'autre qu'un jeu de "qui est-ce", adapté afin d'en faire un objet de médiation scientifique destiné à découvrir le monde subatomique: des noyaux aux particules.

Quinze cartes composent le jeu. Pour chacune d'elles, est donné le nom et sont rappelées plusieurs propriétés: le type: particule ou noyau, la charge: neutre ou chargé, les interactions auxquelles elle est soumise: gravitationnelle, électro-magnétique, faible et forte, la demi-vie: courte, moyenne, longue ou stable, les éventuelles (principales) voies de désintégration.

Dans le même esprit du jeu, et à destination du jeune public, est également proposée une cocotte en papier conçue pour permettre l'exploration de l'infiniment petit...

Muoscope

Lauréat du concours Têtes chercheuses 2015, le Muoscope est un projet conjointement porté par le LPC et le GANIL, avec le soutien de l'Université de Caen Basse-Normandie et de l'Ensicaen. Il a pour objectif de faire découvrir au public une particule fondamentale d'origine cosmique, le muon, et de l'initier à la démarche scientifique mise en œuvre lors de la détection de particules.

Le rayonnement cosmique est une composante importante à la radioactivité naturelle. Les particules qui le composent sont issues des étoiles dans lesquelles règne une forte activité et d'événements violents qui se produisent dans l'Univers. Ces particules interagissent avec les noyaux des atomes composant l'atmosphère terrestre en produisant des "gerbes cosmiques" dont le muon est le seul témoin facilement détectable à la surface de la Terre. Le muoscope qui permet de détecter ces muons illustre les principes et les techniques de détection mises en œuvre en astrophysique notamment visant à comprendre l'origine de ce rayonnement cosmique.

Si toutes ont le même objectif, le muoscope regroupe en réalité plusieurs briques:

un réseau de cosmodétecteurs destiné aux lycéens et qui s'appuie sur une trentaine de roues déjà réalisées par le CPPM pour Cosmos à l'école, un serveur web permettant la mise en commun des mesures réalisées dans les différents établissements scolaires et des outils d'analyse de données en ligne dédiés,

• une roue cosmique de grandes dimensions construite à partir des lattes d'anciens détecteurs de physique nucléaire: tonneau puis tonnerre, successivement installés au GANIL puis au CERN, et sur laquelle s'appuient des travaux artistiques à la fois visuels et sonores.

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