Rayonnement Tcherenkov

Le rayonnement Tcherenkov est la lueur bleutée qui apparaît lorsqu'une particule chargée traverse un milieu transparent plus vite que la lumière ne s'y propage. Il est le principe de détection de Super-Kamiokande, IceCube, KM3NeT et du Sudbury Neutrino Observatory.

Plus vite que la lumière — mais pas plus vite que c

La phrase sonne comme une contradiction et n'en est pas une. La seule chose indépassable est la vitesse de la lumière dans le vide. Dans l'eau, la lumière ne se déplace qu'à environ trois quarts de celle-ci, parce qu'elle est constamment absorbée par les molécules puis réémise.

Un électron, en revanche, n'en est pas ralenti. Il peut donc parfaitement être plus rapide que la lumière dans l'eau — sans violer la théorie de la relativité.

L'image de la vague d'étrave

Ce qui se produit alors, on le connaît de l'eau et de l'air.

Un navire qui avance plus lentement que ses propres vagues pousse devant lui une vague circulaire. S'il avance plus vite, les vagues restent en arrière et se superposent en une vague d'étrave en forme de coin. Chez un avion supersonique, le même phénomène s'appelle cône de Mach.

Pour la particule chargée dans l'eau, c'est l'équivalent électromagnétique : un cône de lumière qui suit la particule.

L'angle d'ouverture de ce cône ne dépend que de la vitesse. On peut donc y lire à quelle vitesse allait la particule — et dans l'eau il existe un seuil net : en dessous d'environ trois quarts de la vitesse de la lumière dans le vide, aucun cône n'apparaît.

Pourquoi cela brille en bleu

Le rayonnement ne se répartit pas uniformément sur les couleurs. Son intensité croît vers l'extrémité des courtes longueurs d'onde — plus c'est bleu, plus il y en a.

C'est pourquoi la lueur dans les piscines de réacteur apparaît d'un bleu profond. Quiconque a déjà vu une photographie d'un réacteur de recherche connaît cette couleur : elle provient d'électrons issus de la désintégration des produits de fission, qui traversent l'eau de refroidissement plus vite que la lumière ne s'y propage.

Ce qu'un détecteur en lit

Sur la paroi d'une cuve d'eau, le cône dessine un anneau. On peut y lire trois choses :

La direction. La position de l'anneau montre d'où venait la particule — et donc de quelle direction est arrivé le neutrino. C'est précisément ce qui a permis à Masatoshi Koshiba de démontrer pour la première fois que les neutrinos mesurés viennent bien du Soleil.

L'énergie. Plus l'anneau est lumineux, plus la particule est énergétique.

Le type de particule. C'est là que se situe le point décisif. Un électron est dévié dans l'eau et produit une petite gerbe ; son anneau est flou. Un muon avance presque en ligne droite ; son anneau est nettement délimité.

Sur cette distinction repose la découverte de Takaaki Kajita de l'année 1998. Il n'a pu montrer que les neutrinos muoniques manquent et que les neutrinos électroniques ne manquent pas que parce que le détecteur savait distinguer les deux.

La limite du procédé

L'inconvénient est le rendement. Un détecteur à eau ne recueille par mégaélectronvolt que quelques centaines de photons ; un scintillateur en fournit environ dix mille.

Il en résulte un seuil de détection plus élevé. Les neutrinos de basse énergie — ceux issus de la réaction principale du Soleil, par exemple — restent invisibles pour un détecteur à eau. Pour cela, il faut des installations comme Borexino.

Les deux procédés se complètent donc : l'eau fournit la direction et de grands volumes, le scintillateur fournit la sensibilité.

Découverte

Pavel Tcherenkov a observé la lueur en 1934 à Moscou. Ilya Frank et Igor Tamm l'ont expliquée théoriquement en 1937. Tous trois ont reçu ensemble en 1958 le prix Nobel de physique.

Notions liées

• Super-Kamiokande — l'application la plus connue
• Scintillateur — l'autre principe de détection
• Takaaki Kajita — ce que la forme de l'anneau a rendu possible
• IceCube — le même principe dans la glace

Sources

• P. A. Tcherenkov : Visible emission of clean liquids by action of γ radiation, Doklady Akademii Nauk SSSR 2, 451 (1934).
• Fondation Nobel : prix Nobel de physique 1958.