Un peu de physique...

L'effet Tcherenkov

Une particule chargée qui traverse un milieu à grande vitesse excite les électrons des couches supérieures des atomes/molécules de ce milieu. En se désexcitant, ces électrons émettent un rayonnement, particulièrement dans la bande bleue et ultraviolette. Ce rayonnement se propage à la vitesse de la lumière dans ce milieu.

La vitesse de la lumière dans le vide est indépassable… Mais la vitesse de la lumière dans tout autre milieu ne l'est pas. Elle est égale à :

n étant l'indice de réfraction de la lumière par le milieu. Dans l'eau, la vitesse de la lumière n'est que de 225000 km/s ! Cela veut dire qu'une particule peut très bien se déplacer à une vitesse supérieure à celle de la lumière dans l'eau. Que se passe-t-il dans ce cas ? Les photons émis tout au long de son parcours vont interférer de manière constructive et former un cône de lumière bleutée qui se déplace à la vitesse de la particule et dans la même direction. L'ouverture de ce cône est telle que :

On le compare à l'onde de choc générée par des engins supersoniques.

Cet effet a été découvert par Pavel Tcherenkov et Sergueï Vavilov. Tcherenkov a obtenu le prix Nobel en 1958 pour cette découverte, prix qu'il a partagé avec Igor Tamm et Ilia Frank qui en ont donné une explication mathématique.

Observation des neutrinos

L'effet Tcherenkov est utilisé dans les détecteurs de neutrinos comme celui de Super-Kamiokande au Japon. Le principe en est le suivant. Le détecteur est constitué par un réservoir de 50000 tonnes d'eau pure. Lorsqu'un neutrino interagit avec un atome d'oxygène, il en résulte l'émission d'un nucléon et d'un lepton (dont le type dépend de celui du neutrino incident). Le lepton généré se déplace à une vitesse supérieure à celle de la lumière dans l'eau, ce qui produit un effet Tcherenkov dont la trace est enregistrée par des capteurs photoélectriques. La direction et l'ouverture du cône renseignent sur la direction d'où provient le neutrino et sur son énergie.

Détection des rayons gamma (astronomie gamma)

L'effet Tcherenkov est également utilisé pour détecter la provenance et la puissance des rayons gamma cosmiques. Les rayons gamma qui parviennent dans l'atmosphère interagissent avec les atomes de l'air (effet Compton) et produisent une cascade de particules chargées se déplaçant à grande vitesse. Même si la vitesse de la lumière dans l'air ca est très proche de la vitesse dans le vide (n = 1,0003), les rayons les plus énergétiques accélèrent ces particules à une vitesse supérieure à ca , déclenchant ainsi une émission Tcherenkov qui dure quelque dizaine de nanosecondes. Le High Energy Spectroscopic System (HESS), installé en Namibie, est un observatoire qui exploite cet effet pour analyser les rayons gamma cosmiques. Il existe deux autres observatoires de ce type en Arizona et aux Canaries.

 

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