Des particules qui se déplacent plus vite que la lumière | Vide cosmique

Imaginons un instant un canard. Je veux un canard vivant dans un étang tranquille. Et non, ne vous inquiétez pas, je ne vais pas faire une de ces fameuses approximations de la physique comme celle de vache sphérique. Ici, j’ai juste besoin des détails cachés dans cette image bucolique d’un étang par une journée sans vent avec un petit canard, s’éloignant de l’horreur que le mouvement rapide de l’eau nous a apporté ces derniers temps.

Restons là un instant pour remarquer ce qui se passe autour du canard : quelques petites vagues, plus proches les unes des autres dans le sens du mouvement. Ils ne ressemblent pas à ceux qui se forment lorsqu’on jette une pierre dans la mare, ils ne sont pas circulaires. Intuitivement, on comprend qu’ils accompagnent le mouvement du canard, qu’ils forment un cône de mouvement, lié à son mouvement. Un triangle dont l’angle se ferme à mesure que l’on augmente la vitesse.

Chaque fois qu’un objet, continuons avec le canard, se déplace dans un milieu, par exemple l’eau, plus rapidement que la vitesse à laquelle les ondes peuvent se déplacer dans ce milieu, il génère une perturbation sous forme d’onde de choc. Il est facile de l’expliquer intuitivement avec le canard car nous en avons tous vu un bouger dans l’eau. Le mouvement d’un bateau m’aide également à visualiser ce qu’on appelle un coup d’étrave. La même chose se produit avec un avion, le milieu dans lequel la perturbation se propage est l’air et dans ce cas des ondes sonores sont générées. L’avion se déplace plus vite que le son au milieu et génère une onde de choc ; Ce serait l’équivalent des vagues d’eau qui s’accumulent devant le magret de canard. Si l’avion dépasse l’onde de choc qui le précède et franchit le mur du son, cela s’accompagnerait du fameux rugissement et on parlerait alors d’un avion supersonique.

Et maintenant, c’est parti pour la lumière, car comme le disait Tchekhov : « Si vous avez un fusil accroché au mur dans la première scène de la pièce, il faut qu’il soit tiré dans le dernier acte. On a accroché le fusil au titre, donc il faut tirer : si maintenant ce qui bouge est une particule à grande vitesse, par exemple un proton et qu’on la fait se déplacer dans l’eau ou dans l’atmosphère terrestre plus vite que la vitesse de propagation de la lumière dans ce milieu, génère également une onde de choc. Tout comme le canard. La particule chargée émet alors un certain type de rayonnement connu sous le nom de Cherenkov, en l’honneur de son découvreur, le physicien Pavel Tcherenkov. On continue avec les illustres Russes.

Mais attendez, avant de dire que, selon la théorie de la relativité d’Einstein, rien ne peut se déplacer plus vite que la vitesse de la lumière, respirez. Il manque quelque chose dans cette phrase. La limite de vitesse inviolable pour la physique est celle de la lumière dans le vide et seules les particules sans masse peuvent l’atteindre. En dehors du vide, c’est-à-dire dans un milieu, la vitesse de la lumière peut être atteinte, voire dépassée. Il est possible d’aller plus vite que la vitesse de la lumière car lorsque la lumière se déplace dans un milieu, que ce soit l’eau, l’air, un prisme ou du plastique, elle se déplace plus lentement, elle ralentit. C’est pourquoi les arcs-en-ciel apparaissent.

Le rayonnement Tchérenkov apparaît lorsqu’une particule chargée se déplace dans un milieu plus rapidement que la vitesse de la lumière. Et comme dans le cas du canard, on comprend que dans son mouvement il émet un cône de rayonnement dont l’angle d’ouverture dépend de la vitesse. Si l’angle peut être mesuré, la vitesse de la particule qui a généré son émission peut être déterminée. C’est la base des détecteurs Rayonnement Tchérenkov.

Cette émission bleue caractéristique de l’eau qui entoure les réacteurs nucléaires est le rayonnement Tchérenkov et c’est précisément le rayonnement Tchérenkov, qui est émis par les cascades de particules générées dans la partie supérieure de l’atmosphère par les événements énergétiques produits dans les accélérateurs de particules cosmiques. Oui, l’univers est capable d’accélérer des particules jusqu’à des centaines de fois l’énergie qui peut leur être donnée dans l’accélérateur de particules le plus puissant que nous ayons construit sur Terre, le Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN.

Certains des télescopes les plus puissants pour le détecter, faisant partie du CTAO (Cherenkov Telescope Array Observatory North), sont déjà opérationnels dans le Observatoire du Roque de los Muchachos sur l’île de La Palma. Mais nous le dirons un autre jour.