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Les chambres à bulles
par Olivier DADOUN - 25 septembre
Parmi les détecteurs emblématiques de la physique des particules, la chambre à bulles est sans doute celui qui a le plus marqué l’histoire de cette discipline – et produit les images les plus saisissantes.
Les chambres à bulles ont permis la découverte de nombreuses particules élémentaires et ont contribué à l’étude des neutrinos (particules élémentaires du modèle standard de la physique des particules).
Une contribution couronnée par plusieurs prix Nobel : D.A. Glaser en 1960 pour son invention (en 1952), Luis Alvarez en 1968 pour le développement des grandes chambres à hydrogène liquide et la découverte grâce à elle d’un grand nombre d’états de résonance de particules, et la découverte en 1973 des « courants neutres faibles » par la chambre à bulles Gargamelle du CERN confirmant les prédictions théoriques de S. Glashow, A. Salem et S. Weinberg qui reçurent le prix Nobel en 1979.
Principe de fonctionnement
Le dispositif utilise une cuve remplie d’un liquide — généralement de l’hydrogène ou du propane — maintenu sous pression à une température proche de son point d’ébullition.
Au moment où un faisceau de particules est envoyé dans le détecteur, la pression est brusquement abaissée : le liquide se retrouve en état de surchauffe instable. Le passage d’une particule chargée (protons, pions, électrons…) suffit alors à déclencher une ébullition le long de sa trajectoire, formant une fine traînée de microbulles.
Cette trace, fugace, est immédiatement photographiée sous plusieurs angles par des caméras synchronisées à un rythme de plusieurs fois par seconde. Placées dans un champ magnétique intense, les particules chargées voient leurs trajectoires se courber : les sens de courbure révèlent les signes de leurs charges, tandis que les rayons de courbure renseignent sur leurs énergies. Le liquide est ensuite remis sous pression pour le cycle suivant.
C’est un rythme de production vertigineux :
chaque jour, plusieurs dizaines de rouleaux de plusieurs centaines de mètres sont exposés. Sur la durée d’une seule expérience, ce sont plusieurs millions de clichés qui s’accumulent !
La BEBC – pour Big European Bubble Chamber –, dernière grande chambre à bulles à avoir fonctionné au CERN de 1973 à 1984, a fourni à elle seule 6,4 millions de clichés, soit près de 3 000 kilomètres de pellicule !
L’image produite par la chambre à bulles n’est pas exploitable en l’état. Elle doit être lue, annotée, mesurée. Cette tâche incombe à des équipes d’opératrices qui constituent le véritable système nerveux des laboratoires. Assises devant des tables de projection spécialisées – des appareils qui agrandissent et projettent les clichés sur une surface éclairée –, ces femmes examinent les images une à une, repèrent les traces de particules parmi le bruit visuel du cliché, mesurent la courbure et la longueur des trajectoires, et consignent ces mesures dans des registres qui alimentent les premières bases de données de la physique des hautes énergies. Pour garantir la fiabilité des données, les clichés sont analysés indépendamment par des opératrices différentes. Un travail d’une précision et d’une patience extraordinaires, effectué en équipes se relayant jour et nuit, et qui exige une formation rigoureuse.
Le LPNHE a participé à plusieurs expériences utilisant ce type de détecteurs, notamment avec la chambre à bulles de 2 mètres (entre les années 1960 et 1970) et la BEBC, et conserve à ce titre un ensemble de clichés d’une valeur historique et scientifique considérable (crédités LPNHE, IN2P3/CNRS & CERN).
Les chambres à bulles ont aujourd’hui été remplacées par des détecteurs électroniques et informatisés (comme ceux du CERN), capables de traiter des quantités de données beaucoup plus importantes, et ce beaucoup plus rapidement.
Bibliographie
Des millions de clichés condamnés à disparaître : l’héritage photographique oublié de la physique des particules
Poster réalisé Louise Aubert dans le cadre du cursus Sciences pour un Monde Durable (octobre 2025)
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