Ses travaux

1- Le Prix Nobel : la récompense pour ses études sur la chambre proportionnelle multifilaire. 

  Georges Charpak avait pour passion la physique des particules. Cela consiste à faire entrer en collision des particules dans les accélérateurs à particules, et grâce aux détecteurs mis au point tout au long du siècle dernier, représenter et identifier soit par imagerie, soit par ordinateur, les particules crées par la collision. Le but final de la recherche dans la physique des particules, est de découvrir la ou les particules qui nous constitue, l'infiniment petit insécable.


Le cheminement jusqu'à l'invention

   En 1957, Georges Charpak mit au point un « compteur proportionnel » capable de détecter les rayons X grâce à la lumière qu'ils produisent autour d'un fil sous tension plongé dans un gaz. Mais pour que ce détecteur soit fonctionnel il fallait un « amplificateur de brillance ». A l'époque, un chercheur soviétique travaillait sur ce dispositif mais Georges Charpak n'a pas pu obtenir le visa pour l'URSS ce qui lui aurait permis de collaborer. Ce sera deux ans plus tard, en 1959, que deux Japonais inventeront la chambre à étincelles.

   Ce premier échec lui permit quand même de rentrer au laboratoire européen pour la physique des particules (CERN) où il passera toute sa carrière. Le physicien américain Leon Lederman ( Futur Directeur du Fermi National Accelerator Laboratory et futur Prix Nobel de physique en 1988) le remarqua lors d'un congrès de physique à Padoue sur les hautes énergies. Leon Lederman vient de terminer une série d'expériences importantes sur le muon et peut poursuivre ses travaux sur l'accélérateur européen du CERN, il propose donc à Charpak de faire parti de son équipe.

 


  "Ce fut pour moi une expérience magnifique. J'y ai vraiment appris à travailler. Ces Américains étaient des brutes de travail. Je venais d'un milieu, celui des Joliot, où l'on prenait deux mois de vacances et où l'estimait, à juste titre d'ailleurs, que faire du voilier aérait la tête, permettait de réfléchir et donc de faire des découvertes. Avec l'équipe de Lederman, je n'avais même pas de week-end complets. Pendant trois ans, j'ai mené une vie bestiale, mais vraiment très stimulante."

Il reprend ses recherches personnelles en 1962. Les chambres à étincelles sont couramment utilisées pour la détection des bouffées de particules issues de collision provoquées dans les accélérateurs. La photo reste le seul moyen d'observation et d'études sur les chambres à bulle et à étincelles mais il faut plus d'un million de clichés pour certaines expérience, ce qui reste lourd à manier.

   Georges Charpak  inventa deux méthodes de lecture des chambres à étincelles. Elles sont basées sur la mesure d'intensité du courant et peut fournir des données pouvant être exploitées sur ordinateur  : « Manque de chance, des concurrents et amis avaient imaginé au même moment des dispositifs plus performants. Ce fut mon deuxième échec, mais j'avais, cette fois, la preuve que j'étais dans le coup... et pas le seul ! »

   Georges Charpak décide de persévérer. Et pour sa thèse au Collège de France, il avait utilisé des chambres composées d'un fil enfermé dans un tube empli de gaz, c'était des « chambres proportionnelles ». Il les avait fabriquées de ses mains, donc il en connaissait toutes les possibilités. « L'observation majeure fut que, placés côte à côte, les fils fonctionnaient chacun comme un détecteur individuel, indépendamment de ses voisins. » Bien que simple pour ce physicien à l'époque, personne avant lui n'y avait pensé.

  "Elle marchait de façon somptueuse. Cela a fait une certaine sensation. Certains collègues ont, bien sûr, voulu garder les vieilles chambres à étincelles, mais ils ont été rapidement distancés par les autres. Impossible de lutter avec quelqu'un qui dispose d'un instrument mille fois plus rapide que le vôtre."


Explication et fonctionnement 

   Ce nouveau type de détecteur a permis de multiplier par un facteur 1000 la vitesse de traitement des données par rapport aux chambres à bulles où il fallait compter « à la main » les particules sur les photographies.

  Le principe est simple et facile à imaginer : une chambre est remplie d’un gaz noble (souvent l’Argon ou le Xenon) puis des fils électriques parallèles sont tendus à l’intérieur de manière à créer des plans de fils parallèles entre eux. L’extrémité de chacun des fils est ensuite connectée à un générateur de tension électrique à une borne positive (anodes) et des plaques conductrices sont intercalées entre les plans des fils et sont reliées à une cathodes.

  Lorsqu’une particule portant une charge électrique, comme un électron ou un muon, traverse la chambre, cette particule ionise le gaz noble. Les électrons libres sont alors attirés par les anodes (reliés à une borne positive) et les ions par les cathodes (reliés à une borne négative). C'est  là que l'intérêt du gaz noble apparaît : leur forme ionique n'influe pas sur les électrons libres. Au bout de l’anode, on place un amplificateur pour permettre la mesure du courant électrique engendré par le déplacement des électrons dans le fil. La mesure du courant de chaque fil peut être ensuite analysée par un ordinateur afin de reconstruire la trajectoire de la particule, de manière automatique. 

Dans la chambre à fils, l'application d'un tension électrique dans toute l'enceinte permet aux électrons arrachés aux atomes du gaz par la particule chargée d'être « amplifiés » et donc détectable, c'est ainsi qu'on obtient un point de la trajectoire. Grâce au calculateur, on reconstruit ensuite la trajectoire de la particule en mesurant de la même manière plusieurs points dans l’espace le long de son sillage. Le sens et le rayon de courbure de cette trajectoire dans un champ magnétique vont donner la charge et l’impulsion. Quant à l’identification de la particule, elle constitue un problème primordial et assez complexe dans la physique des hautes énergies : créer des nouvelles particules est une des tâches principales des nouveaux accélérateurs, mais il faut aussi pouvoir les identifier. Le rôle joué par les détecteurs gazeux dans le processus d’identification est très important car ils permettent la localisation et la reconstruction de la trajectoire d’une particule dans l’espace.

 Ses applications dans les divers domaines de la science

  La chambre a fil a avant tout été conçue pour la physique des particules. Le dernier accélérateur de particules du CERN dénommé Large Hadron Collider, ou LHC, permet de produire pas moins de 40 millions de collisions par seconde pendant plusieurs heures. Ces collisions sont réalisées au centre de 4 gigantesques détecteurs. Les détecteurs du LHC utilisent différentes techniques dont des chambres à fils pour détecter des particules chargées comme les muons.

  Toutes les collisions du LHC sont triées automatiquement par des systèmes électroniques puis analysées et reconstruites en 3 dimensions par des systèmes informatiques mobilisant plus de 100 000 processeurs répartis sur 170 centres de calcul dans 34 pays à travers le monde. A chaque seconde, le LHC fournit ainsi autant de données que la plus grande chambre à bulles aurait pu fournir pendant 60 ans d’exploitation.

   Pourtant cette invention a permis bien d'autres avancées. L'application première de chaque compteur proportionnel (fil) qui constitue la chambre est de détecter les rayons X. L'idée de Georges Charpak était de placer une épaisseur de sa chambre (1 grillage anode espacé de 1,2 millimètres et un plaque cathode) sous le patient, puis, comme en radiologie conventionnelle, des rayons X sont envoyés sur le patient. Ces derniers sont plus ou moins absorbés suivant la densité des tissus, puis la chambre les détecte par ionisation du Xénon et les informations sont transmises à l'ordinateur qui peut en faire un image précise à 0,6 millimètres près (contre 0,1 millimètre en radiologie conventionnelle). Toutefois, ces images sont utilisables pour le suivit de pathologies telles que des scoliose, qui nécessitent des radios régulièrement, mais permet d'infliger au patient de plus faibles doses de rayon X.

   Une amélioration de son concept de chambre a fil a permise de mettre au point l'EOS : Deux clichés ultra basse dose du patient debout permettent de reconstruire l'ossature en 3 dimensions automatiquement et instantanément. Cette révolution dans l'imagerie médicale orthopédique permet de diagnostiquer rapidement et sans danger pour le patient des pathologies liées à la position statique, comme des troubles de la colonne vertébrale ou du bassin.

 


2- La main à la pâte ou comment faire aimer la science aux jeunes 

 


La main à la pâtea été lancée en 1996, à l'initiative de Georges Charpak, prix Nobel de physique 1992, Pierre Léna, Yves Quéré et de l'Académie des sciencesdans le but de rénover l’enseignement des sciences et de la technologie à l’école primaire en favorisant un enseignement fondé sur une démarche d'investigation scientifique.La démarche préconisée par La main à la pâtes’appuie sur dix principes et associe apprentissages scientifiques, maîtrise des langages et éducation à la citoyenneté. Pour cela, les enseignants soumettent à la curiosité de leurs élèves des objets et des phénomènes du monde qui les entoure, suscitant le questionnement scientifique. Celui-ci conduit à la formulation d’hypothèses destinées à être testées par l’expérimentation ou vérifiées par une recherche documentaire. Ainsi, les élèves s’approprient progressivement concepts scientifiques et techniques opératoires et consolident leur expression orale et écrite. L’opération est coordonnée aux niveaux national et international par une équipe d’une quinzaine de personnes basée dans les locaux de l’École normale supérieure à Montrouge.

La main à la pâtepoursuit une collaboration internationale avec plus de 30 pays et 3 réseaux régionaux (Union européenne, Asie du sud-est, Amérique latine). Ces partenariats concernent aussi bien des pays développés que des pays émergents (Brésil, Chine…), ou en voie de développement (Cambodge, Sénégal...).

 


Les 10 principes de La main à la pâte :

La démarche pédagogique

 

1. Les enfants observent un objet ou un phénomène du mon de réel, proche et sensible, et expérimentent sur lui.

2. Au cours de leurs investigations, les enfants argumentent et raisonnent, mettent en commun et discutent leurs idées et leur résultats, construisent leur connaissances, une activité purement manuelle ne suffisant pas.

3. Les activités proposées aux élèves par le maître sont organisées en séquence en vue d’une progression des apprentissages. Elles relèvent des programmes et laissent une large part à l’autonomie des élèves.

4. Un volume minimum de deux heures par semaine est consacré à un même thème pendant plusieurs semaines. Une continuité des activités et des méthodes pédagogiques est assurée sur l’ensemble de la scolarité.

5. Les enfants tiennent chacun un cahier d’expériences avec leurs mots à eux.

6. L’objectif majeur est une appropriation progressive, par les élèves, de concepts scientifiques et de techniques opératoires, accompagnée d’une consolidation de l’expression écrite et orale.

Le partenariat

7. Les familles et/ou le quartier sont sollicités pour le travail réalisé en classe.

8. Localement, des partenaires scientifiques (universités, grandes écoles) accompagnent le travail de la classe en mettant leurs compétences à disposition.

9. Localement, les IUFM (Instituts Universitaires de Formation des Maîtres) mettent leur expérience pédagogique et didactique au service de l’enseignant.

10. L’enseignant peut obtenir, auprès du site Internet, des modules à mettre en œuvre, des idées d’activités, des réponses à ses questions. Il peut aussi participer à un travail coopératif en dialoguant avec des collègues, des formateurs et des scientifiques.

 

L'ASTEP : Accompagnement en Sciences et Technologies à l'Ecole Primaire

Depuis 1996, l’Accompagnement en Science et Technologie à l’École Primaire (ASTEP) encourage des chercheurs, des étudiants de formation scientifique, des ingénieurs et techniciens d’entreprises à seconder les enseignants du primaire dans la mise en œuvre et le déroulement d’une démarche d’investigation conforme aux programmes de l’école. Cette démarche, qui doit être conduite sous la responsabilité de l’enseignant, vise essentiellement à permettre aux élèves de s’approprier les connaissances scientifiques en les construisant eux-mêmes en partie.


Les scientifiques contribuent à donner une représentation de la science vivante et stimulante. Leur présence aux côtés des enseignants est l’occasion pour ces derniers d’aborder avec moins d’appréhension le programme de science, de prendre de l’assurance dans la conduite des démarches scientifiques ou technologiques et de consolider leur maîtrise des contenus. Si l’accompagnement en science et technologie a pour enjeu de stimuler la curiosité, l’esprit critique et l’autonomie des élèves et de créer des vocations dès le plus jeune âge, il se distingue des autres formes d’interventions en associant les élèves, l’enseignant et le scientifique dans une logique d’enrichissement mutuel et de partage de compétences.

 

L'action internationale de La main à la pâte

  Face à certains symptômes (désaffection des filières scientifiques,disparition des sciences et des techniques de la culture générale, revalorisation de l’enseignement technologique, faible orientation des filles vers les métiers de la science…), de nombreux pays font aujourd’hui le même constat : il y a besoin d’une rénovation de l’enseignement des sciences au bénéfice des plus jeunes.

Pour répondre à cela, La main à la pâte préconise la mise en œuvre par les enseignants d’une pédagogie d’investigation associant exploration du monde, apprentissages scientifiques, expérimentation et raisonnement, maîtrise de la langue et argumentation, afin que chaque enfant approfondisse sa compréhension des objets et des phénomènes qui l’entourent, et développe curiosité, créativité et esprit critique.

Les méthodes et les outils développés par La main à la pâte, relayés dans de nombreux pays par les services de coopération et d'action culturelle des ambassades de France, ont rapidement suscité l’intérêt de partenaires étrangers. Aujourd’hui, ces relations internationales concernent plus de 40 pays et 3 réseaux régionaux (Union européenne, Asie du Sud-Est, Amérique latine).

 

Les différentes formes de coopérations internationales

1/ la sensibilisation aux enjeux liés à l’enseignement des sciences, dans un contexte mondial, en liaison avec les grandes organisations internationales de la culture, de l’éducation et de la recherche, notamment par la participation à de nombreuses conférences.

2/ la diffusion d’une expertise et d’un dispositif qui ont accumulé une expérience et un savoir-faire de 10 ans, permettant d’aider au démarrage de projets analogues à l’étranger. Cette diffusion a été rendue possible par l’accueil de nombreuses délégations étrangères, par la tenue de séminaires ou d’écoles d’été, par de nombreuses missions à l’étranger.

3/ la formation d'enseignants et de formateurs. Depuis l’an 2000, au moins une dizaine de formations La main à la pâte sont organisées à l’étranger chaque année. Elles permettent d’identifier et de former des personnes relais, susceptibles de devenir les coordinateurs locaux indispensables afin d’entreprendre une véritable rénovation de l’enseignement des sciences.

4/ l’échange de ressources didactiques, pédagogiques et scientifiques, incluant également les outils informatiques originaux développés par La main à la pâte (sites Internet étrangers inspirés du site français), ainsi que la traduction et l’édition de nombreux ouvrages parus en France sous le label de La main à la pâte.

5/ la mise en réseau des partenaires étrangers, par affinité de projets et zone géographique (Union européenne, Asie du sud-est, Amérique latine…). Elle fait fond sur la conviction profonde que l’éducation est un enjeu mondial, qui déborde les cadres nationaux et ne peut que sortir renforcée de l’échange et de la coopération internationale.

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