O cameră de ceață este un detector de particule care arată trecerea particulelor nucleare prin materie sub formă de organe. Aceasta este o incintă (sigilată sau nu) în care este prezentă o fază de vapori de apă sau alcool suprasaturată. Supersaturarea este creată prin două principii fizice diferite:
Camerele Wilson funcționează în mod „pulsat”, adică arată radiații doar o dată sau de două ori pe minut, având în vedere necesitatea de a efectua cicluri de expansiune prin intermediul pistonului. Solventul utilizat poate fi vapori de apă sau un amestec de apă / alcool. Cu toate acestea, pot opera într-un plan vertical pentru a vedea particule „venind de sus”, ceea ce explică utilizarea lor până în anii 1950 pentru studiul radiației cosmice. Camerele Langsdorf ( camera de difuzie ) funcționează numai cu o fază alcoolică pură, frigul extrem ( -30 ° C ) al suprafeței împiedicând utilizarea apei (s-ar cristaliza). Planul de funcționare este doar orizontal, stratul suprasaturat așezându-se prin gravitație deasupra suprafeței răcite. Urmele albe observate în aceste mașini constau în mii de picături de apă sau alcool care s-au condensat pe unde a trecut o particulă nucleară. În funcție de forma urmelor (lungime, traiectorie, densitate a picăturilor), este posibil să se identifice particula care a trecut prin detector. Numai particulele nucleare încărcate (capabile să ionizeze materie) sunt detectabile în camerele norilor. La nivelul mării, patru particule sunt în mod obișnuit observabile: particule alfa , protoni , electroni și muoni (deși aceștia din urmă sunt foarte discreți având în vedere interacțiunile lor slabe în materie datorită vitezei relativiste).
În 1910 a văzut pentru prima dată urmele particulelor nucleare în camera sa de expansiune. Prin introducerea unui eșantion de radiu în cameră, a văzut trasee de picături de apă care se formaseră acolo unde ionii fuseseră creați prin trecerea particulelor emise de eșantion. A primit premiul Nobel în 1927 pentru descoperirea sa.
Într-o cameră de ceață de difuzie, este necesar să se obțină o placă răcită la cel puțin -20 ° C pentru a crea o stare de suprasaturare. Solventul utilizat este alcoolul (etanol sau alcool izopropilic). Mai multe mijloace tehnice fac posibilă răcirea suficientă a acestei plăci: utilizarea gheții uscate sau a celulelor Peltier, așa cum se poate observa într-o serie de construcții amatori.
Principiul de funcționare este următorul: într-o cameră semisigilată cu aerul ambiant (diagrama opusă), o suprafață neagră este adusă la o temperatură negativă. În partea superioară a camerei, suporturile sunt utilizate pentru a conține alcool lichid (etanol). O parte din alcool se evaporă datorită presiunii sale de vapori și atunci când acești vapori intră în contact cu fundul camerei adus la o temperatură foarte scăzută, se condensează sub formă de picături care creează o ceață (există praf microscopic natural care declanșează formarea de această ceață).
Cu toate acestea, o mică parte din vaporii de alcool răciți prin suprafața rece nu se condensează și plutesc deasupra suprafeței formând un volum suprasaturat de vapori care este metastabil (deoarece este un gaz răcit). Este nevoie doar de o perturbare a materialului pentru ca acești vapori să revină la o stare mai stabilă (starea lichidă). Grosimea volumului de gaz sensibil este de câțiva milimetri, situată chiar deasupra suprafeței camerei.
Trecerea de la o stare la alta (aici condensarea alcoolului gazos) este facilitată atunci când mediul conține impurități (praf), de exemplu zăpadă care se poate forma în atmosferă numai dacă există locuri de nucleație pentru germinarea cristalelor. Când o particulă nucleară încărcată trece prin materie, pierde energie prin ionizarea atomilor pe care îi întâlnește în calea sa. Ionii rezultați devin astfel „impurități” așa cum a fost descoperit de Wilson. Vaporii instabili vor trece la starea lichidă prin condensare în picături unde au fost creați ionii: ionii „însămânțați” de-a lungul căii particulei vor rematerializa calea particulei în materie sub formă de mii de picături de alcool. O iluminare suficient de puternică va face posibilă evidențierea urmelor (o placă neagră este utilă pentru a maximiza contrastul).
Numai particulele încărcate pot crea ioni în materie pe măsură ce se deplasează. Astfel, particulele observabile într-o cameră cu nori vor fi electroni (e - ), pozitroni (e + ), protoni (p + ), alfa (He 2+ ) și muoni (μ +/- ) (dacă ne limităm la mare nivel, deoarece la altitudine sunt observabile alte particule, cum ar fi kaons, lambda și xi, dar foarte rar). Particulele neutre (neutroni și gamma) vor fi detectabile indirect de particulele încărcate pe care le vor crea în materie ca urmare a interacțiunii lor cu aceasta.
Apariția unei urme lăsate în detector de o particulă este la prima aproximare proporțională cu z² / v² (ecuația lui Bethe) unde z este sarcina electrică a particulei și v viteza acesteia. Cu cât o particulă este mai lentă, cu atât va crea mai mulți ioni în materie și, prin urmare, cu atât urmele acesteia vor fi alcătuite din numeroase picături. 2+ particule încărcate (cum ar fi alfa) creează, cu viteză egală față de un electron, de 4 ori mai mulți ioni în materie. Acesta este motivul pentru care particulele alfa fac cele mai dense trasee, dar și pentru că viteza lor în materie este foarte mică ( 15.000 km / s pentru 5 MeV în vid, în timp ce un electron este relativist la ~ 300.000 km / s la această energie).
Electronii sunt cele mai ușoare particule ale celor observabile într-o cameră de nor. Își pierd rapid energia prin frânarea radiației ca urmare a șocurilor electrostatice cu nuclee sau nori de electroni, rezultând o traiectorie neregulată într-o cameră de ceață (fac o mulțime de "zigzaguri"). Acest efect este marcat în special la energie scăzută (< 500 keV ) unde sunt apoi ușor deviate de un câmp magnetic. Când electronii au energii mari, traiectoriile lor sunt rectilinii în camera de ceață și se îmbină cu cea a muonilor.
Un muon este de 207 de ori mai greu decât un electron. Pierderile de energie prin radiații de frânare sunt invers proporționale (pătrate) cu masa și viteza particulei. Muonii pierd de 43.000 de ori mai puțină energie prin Bremsstrahlung decât electronii. Pierderea de energie este deci (în esență) numai prin ionizare (de aceea pot traversa kilometri de roci). Aceste particule sunt, prin urmare, cel mai adesea relativiste și, prin urmare, creează foarte puțini ioni în camera de ceață: este foarte dificil să se vadă tiparul muonului chiar dacă reprezintă mai mult de 75% din radiația cosmică la nivelul mării.
Camerele de ceață au fost folosite pentru a perfecționa:
Început în 2006, un experiment al Organizației Europene pentru Cercetare Nucleară, CLOUD (care reunește 18 institute din 9 țări), folosește un nou prototip de cameră de nori pentru studii asupra climei și mai precis pentru a studia dacă razele cosmice galactice (particulele încărcate) pot interfera cu formarea norilor. Datele prin satelit sugerează într-adevăr că ar putea exista o legătură între grosimea stratului de nori la altitudine mică și importanța fluxului de raze cosmice.
