Le cœur du Réacteur d’essai avancé du Laboratoire national de l’Idaho ne brille pas en bleu car il y en a… des lumières bleues impliquées, mais plutôt parce qu’il s’agit d’un réacteur nucléaire produisant des particules chargées relativistes entourées d’eau. Lorsque les particules traversent cette eau, elles dépassent la vitesse de la lumière dans ce milieu, ce qui les fait émettre un rayonnement Cherenkov, qui apparaît comme cette lumière bleue brillante.
Laboratoire National de l’Argonne
Rien ne peut bouger plus vite que la vitesse de la lumière. Quand Einstein a exposé sa théorie de la relativité, c’était son postulat inviolable: qu’il y avait une limite de vitesse cosmique ultime, et que seules les particules sans masse pouvaient jamais l’atteindre. Toutes les particules massives ne pouvaient que s’en approcher, mais ne l’atteindraient jamais. La vitesse de la lumière, selon Einstein, était la même pour tous les observateurs dans tous les cadres de référence, et aucune forme de matière ne pouvait jamais l’atteindre.
Mais cette interprétation d’Einstein omet une mise en garde importante: tout cela n’est vrai que dans le vide d’un espace purement, parfaitement vide. À travers un support de tout type — qu’il s’agisse d’air, d’eau, de verre, d’acrylique ou de tout gaz, liquide ou solide — la lumière se déplace à une vitesse sensiblement plus lente. Les particules énergétiques, en revanche, ne doivent voyager que plus lentement que la lumière dans le vide, pas la lumière dans un milieu. En exploitant cette propriété de la nature, nous pouvons vraiment aller plus vite que la lumière.
La lumière émise par le Soleil se déplace dans le vide de l’espace à exactement 299 792 458 m/ s: le… limite de vitesse cosmique ultime. Dès que cette lumière frappe un milieu, cependant, y compris quelque chose comme l’atmosphère terrestre, ces photons diminueront de vitesse car ils ne se déplacent qu’à la vitesse de la lumière à travers ce milieu. Alors qu’aucune particule massive ne peut jamais atteindre la vitesse de la lumière dans le vide, elle peut facilement atteindre ou même dépasser la vitesse de la lumière dans un milieu.
Fiodor Iourtchikhine / Agence Spatiale Russe
Imaginez un rayon de lumière qui s’éloigne directement du Soleil. Dans le vide de l’espace, si aucune particule ou matière n’est présente, elle se déplacera en effet à la limite de vitesse cosmique ultime, c: 299 792 458 m/s, la vitesse de la lumière dans le vide. Bien que l’humanité ait produit des particules extrêmement énergétiques dans les collisionneurs et les accélérateurs — et détecté des particules encore plus énergétiques provenant de sources extragalactiques — nous savons que nous ne pouvons pas dépasser cette limite.
Au LHC, les protons accélérés peuvent atteindre des vitesses allant jusqu’à 299 792 455 m/s, soit seulement 3 m/s en dessous de la vitesse de la lumière. Au LEP, qui accélérait des électrons et des positrons au lieu de protons dans le même tunnel du CERN que le LHC occupe maintenant, la vitesse maximale des particules était de 299 792 457.9964 m/s, qui est la particule accélérée la plus rapide jamais créée. Et le rayon cosmique à la plus haute énergie arrive avec une vitesse extraordinaire de 299 792 457,99999999999918 m / s, ce qui ferait perdre une course avec un photon à Andromède et ne reculerait que de six secondes.
Toutes les particules sans masse voyagent à la vitesse de la lumière, mais la vitesse de la lumière change en fonction de… qu’il s’agisse de voyager sous vide ou d’un support. Si vous deviez courir la particule de rayon cosmique à la plus haute énergie jamais découverte avec un photon vers la galaxie d’Andromède et inversement, un voyage d’environ 5 millions d’années-lumière, la particule perdrait la course d’environ 6 secondes.
NASA / Université d’État de Sonoma / Aurore Simonnet
Nous pouvons accélérer des particules de matière très proches de la vitesse de la lumière dans le vide, mais ne pouvons jamais l’atteindre ou la dépasser. Cependant, cela ne signifie pas que nous ne pouvons jamais aller plus vite que la lumière; cela signifie seulement que nous ne pouvons pas aller plus vite que la lumière dans le vide. Dans un médium, l’histoire est extrêmement différente.
Vous pouvez le voir par vous-même en faisant passer un rayon de soleil qui frappe la Terre à travers un prisme. Alors que la lumière se déplaçant dans l’air peut voyager à des vitesses si proches de la vitesse de la lumière dans le vide que son départ est imperceptible, la lumière à travers un prisme se plie clairement. Cela est dû au fait que la vitesse de la lumière diminue considérablement dans un milieu plus dense: elle n’est que de ~ 225 000 000 m / s dans l’eau et de seulement 197 000 000 m / s dans le verre de la couronne. Cette vitesse lente, combinée à une variété de lois de conservation, garantit que la lumière se plie et se disperse dans un milieu.
Le comportement de la lumière blanche lorsqu’elle traverse un prisme montre à quel point la lumière est différente… les énergies se déplacent à des vitesses différentes à travers un milieu, mais pas à travers le vide. Newton a été le premier à expliquer la réflexion, la réfraction, l’absorption et la transmission, ainsi que la capacité de la lumière blanche à se décomposer en différentes couleurs.
Université de l’Iowa
Cette propriété conduit à une prédiction étonnante: la possibilité que vous puissiez vous déplacer plus vite que la lumière, tant que vous êtes dans un milieu où la vitesse de la lumière est inférieure à la vitesse de la lumière dans le vide. Par exemple, de nombreux processus nucléaires provoquent l’émission d’une particule chargée — comme un électron — par fusion, fission ou désintégration radioactive. Bien que ces particules chargées puissent être énergétiques et se déplacer rapidement, elles ne peuvent jamais atteindre la vitesse de la lumière dans le vide.
Mais si vous passez cette particule à travers un milieu, même si c’est quelque chose d’aussi simple que l’eau, elle constatera soudainement qu’elle se déplace plus vite que la vitesse de la lumière dans ce milieu. Tant que ce milieu est composé de particules de matière et que la particule plus rapide que la lumière est chargée, il émettra une forme particulière de rayonnement caractéristique de cette configuration: le rayonnement Čerenkov (prononcé Cherenkov).
Réacteur nucléaire expérimental RA-6 (Republica Argentina 6), en mars, montrant la caractéristique… Rayonnement Cherenkov des particules plus rapides que la lumière dans l’eau émises. Les neutrinos (ou plus exactement les antineutrinos) émis pour la première fois par Pauli en 1930 ont été détectés dans un réacteur nucléaire similaire en 1956. Les expériences modernes continuent d’observer un déficit en neutrinos, mais travaillent dur pour le quantifier comme jamais auparavant, tandis que la détection du rayonnement de Tcherenkov a révolutionné la physique des particules.
Centro Atomico Bariloche, via Pieck Darío
Le rayonnement de Čerenkov apparaît de manière caractéristique comme une lueur bleue et est émis chaque fois qu’une particule chargée se déplace plus vite que la lumière dans un milieu particulier. On le voit le plus souvent, comme ci-dessus, dans l’eau entourant les réacteurs nucléaires. Les réactions à l’intérieur provoquent l’émission de particules de haute énergie qui se déplacent plus rapidement que la lumière dans l’eau, mais des quantités importantes d’eau entourent le réacteur afin de protéger l’environnement extérieur des émissions nocives de rayonnement.
C’est remarquablement efficace! Il y a des interactions électromagnétiques qui se produisent entre la particule chargée en mouvement et les particules (chargées) composant le milieu qu’elle traverse, et ces interactions provoquent l’émission d’un rayonnement d’une énergie particulière dans toutes les directions autorisées: radialement vers l’extérieur, perpendiculairement à la direction de son mouvement.
Cette animation montre ce qui se passe lorsqu’une particule chargée relativiste se déplace plus vite que la lumière… dans un milieu. Les interactions amènent la particule à émettre un cône de rayonnement connu sous le nom de rayonnement Cherenkov, qui dépend de la vitesse et de l’énergie de la particule incidente. La détection des propriétés de ce rayonnement est une technique extrêmement utile et répandue en physique expérimentale des particules.
vlastni dilo / H. Seldon / domaine public
Mais puisque la particule émettant le rayonnement est en mouvement et qu’elle se déplace si rapidement, tous ces photons émis vont être amplifiés. Au lieu d’obtenir un anneau de photons qui se déplace simplement vers l’extérieur, cette particule — se déplaçant plus rapidement que la lumière dans le milieu qu’elle traverse — émettra un cône de rayonnement qui se déplace dans la même direction de mouvement que la particule qui l’émet.
Le rayonnement de Čerenkov sort sous un angle défini par deux facteurs seulement:
- la vitesse de la particule (vparticule, plus rapide que la lumière dans le milieu mais plus lente que la lumière dans le vide),
- et la vitesse de la lumière dans le milieu (vlight).
En fait, la formule est vraiment simple: θ = cos-1 (vlight/vparticle). En clair, cela signifie que l’angle auquel la lumière se détache est le cosinus inverse du rapport de ces deux vitesses, la vitesse de la lumière dans le milieu à la vitesse de la particule.
Le réservoir rempli d’eau de Super Kamiokande, qui a fixé les limites les plus strictes de la durée de vie… du proton. Cet énorme réservoir est non seulement rempli de liquide, mais garni de tubes photomultiplicateurs. Lorsqu’une interaction se produit, comme une frappe de neutrinos, une désintégration radioactive ou (théoriquement) une désintégration de protons, la lumière de Cherenkov est produite et peut être détectée par les tubes photomultiplicateurs qui nous permettent de reconstruire les propriétés et les origines de la particule.
ICRR, Observatoire de Kamioka, Université de Tokyo
Il y a quelques choses importantes à remarquer à propos du rayonnement de Čerenkov. La première est qu’elle transporte à la fois de l’énergie et de l’élan, qui doivent nécessairement provenir de la particule qui se déplace plus vite que la lumière dans le milieu. Cela signifie que les particules qui émettent un rayonnement Čerenkov ralentissent en raison de son émission.
La seconde est que l’angle auquel le rayonnement de Čerenkov est émis nous permet de déterminer la vitesse de la particule à l’origine de son émission. Si vous pouvez mesurer la lumière Čerenkov qui provient d’une particule particulière, vous pouvez reconstruire les propriétés de cette particule. La façon dont cela fonctionne, en pratique, est que vous pouvez configurer un grand réservoir de matériau avec des tubes photomultiplicateurs (capables de détecter des photons individuels) bordant le bord, et le rayonnement Čerenkov détecté vous permet de reconstruire les propriétés de la particule entrante, y compris son origine dans votre détecteur.
Un événement neutrino, identifiable par les anneaux de rayonnement de Cerenkov qui apparaissent le long de la… les tubes photomultiplicateurs qui tapissent les parois du détecteur présentent la méthodologie réussie de l’astronomie des neutrinos et tirent parti de l’utilisation du rayonnement de Cherenkov. Cette image montre de multiples événements et fait partie de la suite d’expériences ouvrant la voie à une meilleure compréhension des neutrinos.
Collaboration Super Kamiokande
Fait intéressant, le rayonnement de Čerenkov a été théorisé avant même la théorie de la relativité d’Einstein, où il languissait dans l’obscurité. Le mathématicien Oliver Heaviside l’a prédit en 1888-9, et indépendamment Arnold Sommerfeld (qui a aidé à quantifier l’atome d’hydrogène) l’a fait en 1904. Mais avec l’avènement de la relativité restreinte d’Einstein en 1905, personne n’était assez intéressé par cette ligne de pensée pour la reprendre. Même lorsque Marie Curie a observé la lumière bleue dans une solution concentrée de radium (en 1910), elle n’a pas étudié son origine.
Au lieu de cela, il est tombé sur un jeune chercheur nommé Pavel Čerenkov, qui travaillait sur la luminescence des éléments lourds. Lorsque vous excitez un élément, ses électrons se désexcitent spontanément, descendant en cascade dans les niveaux d’énergie et émettant de la lumière comme ils le font. Ce que Čerenkov a remarqué, puis a enquêté, c’est une lumière bleue qui ne s’inscrivait pas uniquement dans ce cadre. Autre chose était en jeu.
Les rayons cosmiques, qui sont des particules à très haute énergie provenant de tout l’Univers, frappent… protons dans la haute atmosphère et produisent des averses de nouvelles particules. Les particules chargées se déplaçant rapidement émettent également de la lumière en raison du rayonnement de Tcherenkov car elles se déplacent plus rapidement que la vitesse de la lumière dans l’atmosphère terrestre. Il existe actuellement des réseaux de télescopes en cours de construction et d’extension pour détecter directement cette lumière de Cherenkov.
Simon Swordy (U. Chicago), NASA
Čerenkov a préparé des solutions aqueuses riches en radioactivité et a remarqué cette lumière bleue caractéristique. Lorsque vous avez un phénomène fluorescent, où les électrons se désexcitent et émettent un rayonnement visible, ce rayonnement est isotrope: le même dans toutes les directions. Mais avec une source radioactive dans l’eau, le rayonnement n’était pas isotrope, mais sortait plutôt en cônes. On a montré plus tard que ces cônes correspondaient à des particules chargées émises. La nouvelle forme de rayonnement, mal comprise au moment de la découverte de Čerenkov en 1934, a donc été nommée rayonnement de Čerenkov.
Trois ans plus tard, les collègues théoriciens de Čerenkov, Igor Tamm et Ilya Frank, ont réussi à décrire ces effets dans le contexte de la relativité et de l’électromagnétisme, ce qui a conduit les détecteurs de Čerenkov à devenir une technique utile et standard en physique expérimentale des particules. Les trois ont partagé le prix Nobel de physique en 1958.
En 1958, le prix Nobel de physique a été décerné aux trois personnes principalement responsables de… révéler les propriétés expérimentales et théoriques du rayonnement émis lorsque les particules chargées se déplacent plus vite que la lumière dans un milieu. La lueur bleue, connue aujourd’hui sous le nom de rayonnement de Čerenkov, a d’énormes applications en physique même aujourd’hui.
Nobel Media AB 2019
Le rayonnement de Čerenkov est un phénomène si remarquable que lorsque les premiers électrons accélérés, aux débuts de la physique des particules aux États-Unis, les physiciens fermaient un œil et le mettaient sur le chemin de l’endroit où le faisceau d’électrons aurait dû se trouver. Si le faisceau était allumé, les électrons produiraient un rayonnement Čerenkov dans l’environnement aqueux du globe oculaire du physicien, et ces éclairs de lumière indiqueraient que des électrons relativistes étaient produits. Une fois que les effets des rayonnements sur le corps humain ont été mieux compris, des précautions de sécurité ont été mises en place pour éviter que les physiciens ne s’empoisonnent eux-mêmes.
Mais le phénomène sous-jacent est le même, peu importe où vous allez: une particule chargée se déplaçant plus vite que la lumière se déplace dans un milieu émettra un cône de rayonnement bleu, ralentissant tout en révélant des informations sur son énergie et son élan. Vous ne pouvez toujours pas dépasser la limite de vitesse cosmique ultime, mais à moins d’être dans un vrai vide parfait, vous pouvez toujours aller plus vite que la lumière. Tout ce dont vous avez besoin, c’est assez d’énergie.