L'Effet Tchérenkov se produit lorsqu'une particule chargée électriquement émet un rayonnement électromagnétique (lumière) lorsqu'elle traverse un milieu matériel à une vitesse supérieure à la vitesse à laquelle la lumière se déplace dans ce matériau. Oui, Il est possible de voyager plus vite que la lumière, à condition de le faire sur un support matériel. La vitesse limite absolue de l’univers est en fait la vitesse de la lumière dans le videça vaut 299 792 458 m/s, mais la lumière se déplace plus lentement dans un matériau, donc la physique n'interdit pas à une particule de dépasser la lumière tant qu'elle reste en dessous de la valeur de 299 792 458 m/s. Lorsqu'une particule chargée fait cela, par exemple un électron, l'effet créé est une sorte d'analogue électromagnétique d'un bang sonique, où le « boom » est remplacé par l'émission de lumière bleue. L'effet Chérenkov est exploité en physique pour détecter des particules chargées rapides et énergétiques, comme les neutrinos, ou en astronomie pour étudier les rayons cosmiques.
La découverte de l'effet Tchérenkov
Le phénomène tire son nom du physicien soviétique Pavel Alekseïevitch Tcherenkov qui en 1934 nota l'émission d'un lumière bleuâtre provenant d'une bouteille d'eau soumise à un bombardement radioactif. Beaucoup avant lui avaient déjà observé cet effet lumineux particulier, l’attribuant au phénomène de fluorescence. Cependant, Tcherenkov n’était pas convaincu de cette conclusion et ses premières expériences lui donnaient déjà raison. Le jeune physicien soviétique a en effet découvert que le rayonnement était indépendant de la composition du liquide choisi, contrairement à l'hypothèse de la fluorescence. Entre 1934 et 1937, Tcherenkov publia ses résultats sur les propriétés du rayonnement nouvellement découvert, résultats qui lui valurent de recevoir le prix Nobel de physique en 1958, partagé avec Igor Evgueniévitch Tamm Et Ilya Mikhaïlovitch Frankqui a contribué à l’explication physico-mathématique du phénomène.
Comment fonctionne l'effet Tchérenkov et pourquoi la lumière émise est bleue
Pour comprendre d'où provient cette lumière bleutée observée par le physicien soviétique, nous avons besoin de deux ingrédients : un milieu et un particule chargée capable de dépasser la vitesse de la lumière dans ce milieu. Les particules chargées génèrent autour d'elles un champ électrique, qui aura tendance à attirer les particules de charge opposée et à repousser celles ayant la même charge électrique. Lorsqu'une particule chargée (par exemple un électron) traverse un milieu, puisque les molécules de ce dernier sont composées de particules chargées, celles-ci vont être affectées par le champ électrique de l'électron et auront tendance à s'en éloigner ou à s'en rapprocher. On dit que le médium était polarisé de l'électron.
Une fois que l'électron s'éloigne, les molécules qui composent le milieu reviennent à leur position d'origine, et peuvent le faire en émettant un rayonnement électromagnétique. Tant que la vitesse de la particule chargée est inférieure à la vitesse de la lumière dans le milieu, le rayonnement émis par les molécules n'est pas visible. Sinon, la particule se déplace plus rapidement que la perturbation du champ électrique, qui se propage à la vitesse de la lumière dans ce milieu. Le milieu est polarisé derrière la particule, alors que les molécules devant elle n'ont pas encore été affectées. Le rayonnement émis par les molécules du milieu prend alors la forme d'un cône de lumière qui part de l'arrière de la particule chargée et dont l'ouverture dépend de la vitesse de la particule chargée : plus la particule est rapide, plus la lumière est concentrée sur un cône étroit. Ce qui se crée est un processus similaire au bang sonique émis par les avions qui dépassent la vitesse du son : l'avion est l'analogue de la particule chargée, tandis que la vitesse dépassée est celle de la lumière dans le milieu plutôt que celle du son dans l'air. .
Le rayonnement émis par les molécules est principalement composé de rayons ultraviolets, mais comprend également de la lumière visible, notamment en bleu. C'est pourquoi Cherenkov a observé une lumière bleutée, quelle que soit la composition des liquides traversés par les particules chargées du fait de la radioactivité. C'est d'ailleurs pour cela aussi la raison pour laquelle Dr Manhattanprotagoniste de la bande dessinée Gardiens par Alan Moore et Dave Gibbons, est exactement cette couleur.
Quelles sont les applications de l'effet Cherenkov
Dans le domaine physique, l'effet Cherenkov est très utile pour révéler des particules chargées rapides et énergiques, grâce à l'émission lumineuse typique qu'ils provoquent, et de mesurer leur vitesse. Son étude a par exemple conduit à la découverte de l'antiparticule protonique en 1955. Dans les années 1990, l'effet Cherenkov a été utilisé par des détecteurs tels que SuperKamiokande au Japon ou au Observatoire de neutrinos de Sudbury au Canada, qui ont joué un rôle essentiel pour prouver que les neutrinos ont une masse.
L'un des principaux objectifs des détecteurs Cherenkov est d'étudier la rayons cosmiques venant de l'espace, les télescopes en sont un exemple LA MAGIE (Principaux télescopes Tchérenkov d'imagerie gamma atmosphérique) aux îles Canaries, qui font partie d'une catégorie appelée précisément Télescopes Tchérenkov.
Une autre utilisation des détecteurs Cherenkov concerne le sécurité nucléaire. En mesurant le rayonnement Tchérenkov présent dans les bassins où sont stockés les déchets nucléaires, il est possible de déterminer si la quantité déclarée de combustible nucléaire usé est exacte ou non, et ainsi de comprendre si des matières nucléaires ont été détournées de leur utilisation pacifique.