Charpak a inventé et développé les détecteurs de particules subatomiques (Nobel 1992)
17 janvier 1968 Georges Charpak révolutionne la détection
Georges Charpak, un homme aux multiples facettes
L’existence de Georges Charpak (1924-2010) commence curieusement : « Né en Pologne le 8 mars 1924 à Sarny », mais « déclaré le 1er août à Dabrowica ». Son enfance débute par une errance.
Georges Charpak, un homme aux multiples facettes 
Arrivé en France dans sa huitième année, il assimile rapidement la langue, la culture française, ayant enfin trouvé « sa » patrie. Arrive pourtant la guerre : la famille doit se réfugier dans le Midi. Il se fait arrêter une nuit de 1943 alors qu’il colle des affiches avec des camarades résistants. Déporté à Dachau, il en réchappera, ayant désormais horreur de tous les absolutismes. Il reprend dès septembre 1945 ses études de sciences à l’École des mines de Paris.
L’atome : un peu d’épistémologie…
Grâce à Marie Curie, aidée par Pierre Curie, et à tous les chercheurs qui se sont engouffrés derrière elle après sa découverte annoncée en 1898, la radioactivité est inscrite dans une épopée, celle de l’histoire des Sciences : l’atome s’est dévoilé peu à peu. Les superbes travaux de J. J. Thomson, parachevés en 1897, donnent à l’électron, première particule subatomique, sa carte d’identité. (Il convient de rappeler l’hésitante marche vers ce concept !) Puis viennent les travaux du Néo-Zélandais Ernest Rutherford avançant en 1911 l’existence d’un minuscule noyau, modèle perfectionné par le Danois Niels Bohr émettant l’hypothèse des électrons sur des orbites quantifiées. Si l’existence du proton fut assez rapidement acceptée, il fallut attendre 1932 pour admettre celle du neutron. Enfin, le neutrino, imaginé dès 1930 par Pauli, puis théorisé par Fermi en 1934, permit de résoudre le problème de la conservation de l’énergie lors de la désintégration d’un atome par émission bêta. Cependant, les physiciens du monde entier veulent aller plus loin dans le degré d’élémentarité de l’atome, et percer les secrets du noyau et de ses composants. Après l’utilisation de l’énergie des sources radioactives, s’ouvre l’époque des accélérateurs de particules, d’abord linéaires, puis circulaires, de plus en plus puissants, permettant des chocs formidables entre particules et atomes, puis entre particules circulant en sens opposés dans les collisionneurs. Pendant ce temps, la détection des particules progresse dans l’analyse des collisions..jpg)
Si, pour les pionniers, l’observation se faisait à l’œil nu sur des écrans recouverts de sulfure de zinc devenant fluorescent à l’endroit des impacts, le compteur de l’Allemand Hans Geiger, avec son fil tendu dans l’axe d’un cylindre empli d’un gaz raréfié où des ionisations se produisent au passage des particules (les électrons émis étant captés par le fil) fut une énorme avancée. Puis, les « chambres à brouillard » permirent la visualisation des traces d’électrons par la condensation de gouttelettes d’eau le long de leurs trajectoires. 
Entrée en scène de Georges Charpak
Il faut réaliser qu’après la tourmente de la guerre 1939-1945, si la physique peut se glorifier de ses savants — dont le prestigieux théoricien Louis de Broglie, un des fondateurs de la mécanique quantique –, en revanche, les laboratoires sont vétustes. On va heureusement assister à la montée en puissance du CNRS (créé en 1939), puis, en 1945, à l’inauguration du CEA, Commissariat à l’énergie atomique (qui a élargi en 2010 son champ de recherche aux « énergies alternatives »). Des moyens importants sont alors accordés à la recherche fondamentale. Charpak participera à ces expériences exaltantes de l’histoire de la matière. Tout d’abord, en 1948, stagiaire au CNRS, il a la grande chance d’entrer dans le prestigieux laboratoire de chimie nucléaire de Frédéric Joliot-Curie, où il soutient sa thèse. Quand le Cern est officiellement créé à Genève en 1954 (l’acronyme correspond au nom initial « Conseil européen pour la recherche nucléaire »), sa carrière de chercheur dans le domaine des particules élémentaires commence, grâce à une autre rencontre providentielle, celle du physicien américain Léon Lederman, futur prix Nobel déjà connu dans ce domaine, qui lui propose de se joindre à l’équipe qu’il est en train de former pour une grande expérience du Cern, au tout nouvel accélérateur, le synchrocyclotron ! Trois années s’ensuivront, au sein d’une équipe travaillant jour et nuit dans la convivialité, auprès de l’accélérateur qui fonctionne en continu pendant plusieurs jours.
C’est là que Charpak construit sa première chambre à fils, ce nouveau détecteur qui va révolutionner la recherche dans le domaine des particules. Sa thèse, soutenue en 1954, analysant ce qui se passe dans le cortège électronique d’un atome frappé par des particules bêta, s’était faite à l’aide d’un compteur cylindrique à fil de type Geiger. L’avancée considérable de la puissance des nouveaux accélérateurs amène à la production de milliards de photos parmi lesquelles il faut tenter de repérer quelques évènements intéressants. Sa réflexion aboutira à deux résultats :
L’informatique est alors en expansion : il pense qu’il faut lier les détecteurs à des ordinateurs, dont les informations remplaceront les photos des chambres à bulles.
En même temps, avec sa petite équipe de fidèles techniciens, il met au point son idée : rapprocher un grand nombre de tubes Geiger et en éliminer les parois ; il reste donc des fils parallèles, (en tungstène doré), quatre fois plus fins qu’un cheveu (20 µm), et deux grilles métalliques. Son petit prototype initial multiplie par mille le nombre d’évènements pouvant être analysés ! Dès 1966, commence la renommée bientôt mondiale des « chambres Charpak », ou « chambres proportionnelles multifils », donnant ensuite les « chambres à dérives » avec les apports croissants de l’électronique associée. De plus en plus grands, atteignant plusieurs m², à partir de 1975, ces détecteurs, que nous devons au génie de Charpak, deviennent universels.
Les grands détecteurs actuels, utilisés dans le collisionneur LHC (Large Hadron Collider) du Cern pour scruter la matière, sont devenus des géants. On sait que dans ce temple de tous les records qu’est l’anneau du LHC (de 27 km de circonférence abritant une tubulure centrale de quelques centimètres de diamètre), deux flots de particules circulent en sens inverse, à 99,999 % de la vitesse de la lumière, en un faisceau plus fin qu’un cheveu (une quinzaine de µm). C’est la course effrénée des « paquets » de milliards de particules injectées dans l’anneau qui va être scrutée par les deux plus grands détecteurs, le CMS et Atlas, analysant les millions de données expérimentales fournies par le LHC :
CMS (Compact Muon Solenoïd), de 12.500 tonnes, est l’objet d’étude de 2.000 scientifiques appartenant à 179 instituts.
Les données d’Atlas, acronyme de « A Toroïdal LHC apparatuS » (7.000 tonnes), sont examinées par 3.000 scientifiques de 177 instituts.
Le croisement de leurs informations se termina en apothéose par l’annonce médiatisée au Cern, le 4 juillet 2012, de la découverte du boson de Higgs (ou plutôt boson BEH, Brout, Englert et Higgs ayant postulé, séparément, son existence en 1964), « maillon manquant » du « modèle standard ». Le boson BEH, le quantum du champ de Higgs, ouvre la voie à une nouvelle physique…
Charpak, l’humaniste : la fondation La main à la pâte 
Si le génie de Georges Charpak, qui obtint le prix Nobel en 1992, est évident, sa dimension humaniste est incontestable. Conscient des dangers que constituent les armes atomiques, des menaces qu’elles représentent pour l’équilibre planétaire, Georges Charpak se lança dans une action d’envergure, grâce à la notoriété que lui donna son prix Nobel. Dès 1993, il frappa à de nombreuses portes de palais présidentiels, aux États-Unis, en Union soviétique, en France, s’inscrivant dans la lignée de ceux qui ont participé au long travail de réduction des armes stratégiques.
L’aventure de « la Main à la Pâte » fut initiée en 1994, au vu de l’expérience d’ « alphabétisation scientifique » tentée par le grand Léon Lederman dans les faubourgs de Chicago. À son retour en France, il s’entoura d’une équipe persuadée de l’importance d’un enseignement précoce des sciences à l’école, dont Pierre Léna et Yves Quéré. 
Ensemble, ils réunirent 344 instituteurs pionniers, qui firent rapidement des émules ; l’initiative s’internationalisa rapidement. En 1998-1999, est rédigée une charte qui, en dix « principes », explique avec rigueur les objectifs, les protocoles, les méthodes pédagogiques, les partenaires, les moyens nécessaires pour donner le goût des sciences aux enfants ; l’objectif est de susciter chez les jeunes des vocations scientifiques. Aujourd’hui, les actions de la MAP (Fondation La main à la pâte) sont attentivement suivies et épaulées par l’Académie des sciences, les universités, les grandes écoles, soucieuses de susciter des vocations scientifiques dans notre pays. À l’automne 2013, un véliplanchiste s’élança dans le golfe de Sagone, près de Cargèse, en Corse, avec un précieux fardeau : il fut chargé de disperser les cendres de Georges Charpak, qui s’inscrit pour nous dans la cohorte des grands découvreurs.
La Traque des particules élémentaires, de Jacqueline Desselle-Marinacce
Le livre La Traque des particules élémentaires, de Jacqueline Desselle-Marinacce, accompagne, par un hasard providentiel, la communication mémorable faite au Cern en juillet 2012, vous mettant ainsi au cœur des évènements qui passionnent nos physiciens des particules à la recherche du boson de Higgs traqué depuis plus de quarante ans !
Braquant un projecteur sur quelques êtres exceptionnels, cet ouvrage évoque cet inlassable jeu de cache-cache auquel s’amusent depuis près de trois millénaires les Hommes et les particules atomiques. Il débute durant l’Antiquité grecque et se termine par l’interview d’un physicien des particules du Cern. À la lecture de ce livre, vous vous joindrez ainsi à la cohorte de tous ceux qui se passionnent pour ce monde dans lequel nous sommes immergés, visible ou invisible, des lointaines nébuleuses jusqu’aux quarks du noyau de l’atome…
17 janvier 1968 Georges Charpak révolutionne la détection
Dans les années 1960, la détection en physique des particules consistait principalement à examiner des millions de photographies de chambres à bulles ou de chambres à étincelles. C’était lent, à forte intensité de main-d’œuvre et inadapté aux études sur des phénomènes rares.
Puis vint une révolution dans les amplificateurs à transistors. Alors qu’une caméra peut détecter une étincelle, un fil détecteur connecté à un amplificateur peut détecter un effet beaucoup plus petit. En 1968, Georges Charpak développe la « chambre proportionnelle multifils », une boîte remplie de gaz avec un grand nombre de fils détecteurs parallèles, chacun relié à des amplificateurs individuels. 
Relié à un ordinateur, il pourrait atteindre un taux de comptage mille fois supérieur aux détecteurs existants. L’invention a révolutionné la détection de particules, qui est passée de l’ère manuelle à l’ère électronique. Charpak, qui a rejoint le CERN en 1959, a reçu le prix Nobel de physique en 1992 «pour son invention et le développement de détecteurs de particules, en particulier la chambre proportionnelle multifils».
Aujourd’hui, pratiquement toutes les expériences de physique des particules utilisent un détecteur de piste basé sur le principe de la chambre proportionnelle multifils. Charpak a également activement contribué à l’utilisation de cette technologie dans d’autres domaines utilisant des rayonnements ionisants tels que la biologie, la radiologie et la médecine nucléaire.
Georges Charpak (8 mars 1924 – 29 septembre 2010)
Après que Georges est allé travailler au CERN à Genève en 1959, il a orienté son intérêt scientifique vers les hautes énergies la physique des particules. En 1961, son groupe a démontré que le muon n’était qu’un cousin lourd de l’électron et non une particule distincte du noyau. C’était la première tentative réussie de mesurer avec précision l’anomalie du moment magnétique pour muons. Une précision très élevée pour cette valeur est d’une grande importance dans la physique des particules ; un petit écart par rapport à la valeur théorique pourrait prédire l’échelle d’énergie de la nouvelle physique. Georges est devenu employé du CERN en 1963. Pendant son séjour au CERN, Georges a développé la chambre proportionnelle multifils, une boîte remplie de gaz dans laquelle une série de fils fins en rangées parallèles était suspendue entre deux cathodes plates. Avec les fils reliés à un ordinateur via des amplificateurs individuels, il pourrait atteindre un taux de comptage jusqu’à mille fois supérieur à celui existant détecteurs, comme la chambre à bulles. Il a permis aux scientifiques d’enregistrer jusqu’à 1 million de traces de particules par seconde plutôt que quelques-unes. L’appareil a inauguré une révolution dans physique des hautes énergies ; des chercheurs ont commencé à utiliser des taux de collision de particules beaucoup plus élevés et à analyser des théories qui prédisaient de nouvelles particules massives et des événements rares. Aujourd’hui encore, les scientifiques mènent physique des hautes énergies les expériences reposent sur de telles détecteurs.
Parmi les découvertes faites par des appareils basés sur la chambre multifilaire de Georges, on trouve les particules élémentaires connues sous le nom de W et Z, tous deux trouvés au CERN, et le quark top détecté au Laboratoire Fermi de Chicago. En collaboration avec Fabio Sauli, qui a rejoint le CERN en 1969, Georges a travaillé pour améliorer encore le multifil détecteur ; sa descendante, la chambre à dérive ; et, pour obtenir de meilleurs taux de comptage, la chambre à avalanche à plusieurs étages. Ils ont travaillé sur la technologie en plusieurs étapes avec Amos Breskin, Stan Majewski, Vladimir Peskov et d’autres. Des améliorations ultérieures ont permis à l’appareil de détecter Lumière UV. Georges a rejoint Tom Ypsilantis et son équipe pour sublimer la bague imagerie Détecteur Cherenkov pour particules élémentaires.
Georges était également intéressé par l’utilisation de l’appareil à plusieurs étapes pour faire progresser les domaines de la médecine et de la biologie. Il a été appliqué en radiographie imagerie de tissus humains et animaux injectés avec des radionucléides émetteurs bêta. Au milieu des années 1980, Georges a commencé à travailler en étroite collaboration avec l’un d’entre nous (Giomataris) pour élaborer de nouvelles détecteur idées, y compris un large télescope gamma à haute énergie avec une bonne résolution angulaire. Ils ont collaboré avec Leon Lederman en 1990 pour développer un déclencheur optique qui sélectionne en temps réel les particules qui transportent le cinquième quark (bottom) lors de collisions de protons de haute intensité. Ces particules volent sur une courte distance avant de se désintégrer, ce qui amplifie la lumière Cherenkov produite par des particules relativistes à l’intérieur d’une fine cellule cristalline. Le déclencheur « marque » les particules et améliore l’échantillon collecté avec de « bons » événements.
Une équipe internationale a construit un aveugle aux hadrons détecteur basé sur un concept de 1991 par Georges et Giomataris d’un dispositif gazeux à plaques parallèles. Georges et Giomataris ont proposé qu’un tel détecteur ne voit pas la plupart des hadrons produit lors des collisions, mais il recrée efficacement des électrons et des impulsions élevées muons et rejette les événements indésirables, ce qui améliore considérablement le rapport signal sur fond. Ils l’ont démontré dans un faisceau de particules au CERN le 13 octobre 1992 – la veille de l’annonce par l’Académie royale des sciences de Suède que Georges avait reçu le prix Nobel Prix en physique – et au cours du processus d’optimisation, ils ont pu montrer expérimentalement l’avantage d’un écart d’amplification étroit. Leurs expériences sur l’aveugle aux hadrons détecteur ont conduit Georges et Giomataris en 1996 à concevoir un écart d’amplification encore plus étroit sous la forme des micromégas détecteur. Le dispositif gazeux micromesh a été construit par le groupe de Giomataris dans le laboratoire du Commissariat à l’énergie atomique de Saclay, en France. Georges avait l’habitude de prédire que comme le sien détecteur, les micromégas et d’autres dispositifs innovants de ce type ouvriraient une nouvelle ère en physique. Lors de ses visites au laboratoire de Giomataris, il passait beaucoup de temps à utiliser un vieil oscilloscope pour observer le détecteur signaux parce qu’il n’aimait pas les appareils numériques.
La maison de Georges dans le village corse de Cargèse – sa maison de week-end et de vacances d’été – était un répit bienvenu pour ceux qui fréquentaient l’Institut d’études scientifiques de Cargèse, une école d’été de physique théorique. Georges assistait à des conférences et invitait les participants chez lui, à quelques pas de l’école. En raison de ses convictions concernant les droits de l’homme et la liberté, Georges a annulé en 1978 sa participation à un congrès à Dubna, en Union soviétique, pour protester contre l’emprisonnement du physicien Yuri Orlov. Georges était un citoyen engagé impliqué dans de nombreuses activités sociales et éducatives. Passionné de vulgarisation scientifique, il a écrit plusieurs livres pour rendre la physique accessible au grand public. Ils incluent Debunked! (Johns Hopkins University Press, 2004), dans lequel lui et Henri Broch se moquent de l’astrologie, d’autres superstitions et de la pseudoscience ; et Mégawatts et mégatonnes : un tournant à l’ère nucléaire ?(Random House, 2001), dans lequel Georges – un partisan de l’énergie nucléaire – et Richard Garwin discutent de la manière dont l’énergie nucléaire peut être une source d’énergie économiquement réalisable et respectueuse de l’environnement et présentent des stratégies pour parvenir à un contrôle des armements. Il a récemment publié avec François Vannucci Le vrai roman des particules élémentaires (The True Story of Particules élémentaires ; Dunod, 2010), qui décrit l’extraordinaire développement de la physique des particules et ce que nous savons du modèle standard aujourd’hui.
En 1996, Georges a lancé un programme qui forme les enseignants du primaire à apporter la science pratique aux élèves en France. Il a suivi les traces de son ami Lederman, qui a lancé une telle initiative à Chicago en 1990. Nous garderons un bon souvenir de ce grand humaniste qui était très enthousiaste, créatif, ouvert d’esprit et réfléchi.
Physicien franco-polonais qui a reçu le prix Nobel de physique en 1992 pour son invention et le développement de détecteurs de particules subatomiques, en particulier la chambre proportionnelle multifils, une percée dans la technique d’exploration des parties les plus internes de la matière. Comme les physiciens des particules ont concentré leur intérêt sur les interactions de particules très rares, qui révèlent souvent les secrets des parties internes de la matière, il arrive parfois qu’une seule interaction de particules sur un milliard soit celle recherchée. Charpak a remplacé les méthodes photographiques désormais inadéquates par une électronique moderne qui connectait le détecteur directement à un ordinateur.
https://www.futura-sciences.com/sciences/personnalites/physique-georges-charpak-1346/
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1992/charpak/biographical/
https://timeline.web.cern.ch/georges-charpak-revolutionizes-detection