Située au cœur de la zone Est du CERN, l’expérience CLOUD étudie les interactions entre les rayons cosmiques (simulés par les faisceaux de particules (des pions) en provenance du PS) et les particules d'aérosol présentes dans la troposphère terrestre (la plus basse couche de l’atmosphère) afin de mieux comprendre les mécanismes en jeu dans la formation des aérosols et des nuages qu’ils engendrent. Depuis la révolution industrielle, les activités humaines ont fortement augmenté la quantité de particules d'aérosols présentes dans l’atmosphère, mais leur intégration dans les modèles climatiques mondiaux reste encore incertaine, entraînant un large éventail de projections du réchauffement climatique.

La chambre à brouillard de CLOUD simule des régions choisies de l’atmosphère terrestre. L'enceinte en acier inoxydable de 26 m³ est remplie d’air synthétique ultrapur humidifié obtenu par évaporation d’azote et d’oxygène cryogéniques dans lequel les chercheurs injectent diverses vapeurs rencontrées en concentrations infimes dans l'atmosphère (ozone, dioxyde de soufre, acide nitrique, ammoniac, vapeurs organiques, iode, etc.) sous forme de vapeurs. En ajustant les paramètres tels que les concentrations de vapeurs, la température, l’humidité, l'illumination UV et les rayons cosmiques, il est possible de simuler et de contrôler très précisément les conditions atmosphériques que l’on souhaite étudier.

En raison des pertes de vapeurs et de particules par contact avec la paroi de la chambre de CLOUD, les expériences ne durent que quelques heures. « Cela nous laisse le temps d’étudier de nombreux mécanismes, comme par exemple le rôle des acides d'iode dans la formation des aérosols [étude menée en 2021], mais pas de prendre en compte la transformation lente qui a lieu pour certaines vapeurs dans l’atmosphère au cours de plusieurs jours », indique Jasper Kirkby, porte-parole de l'expérience CLOUD.

C’est là que FLOTUS (FLOw TUbe System) entre en jeu. Cette nouvelle enceinte, une chambre en quartz de 60 litres annexée à CLOUD en novembre 2022, permet de « vieillir » les vapeurs organiques avant leur injection dans la chambre principale de CLOUD, où leur capacité à former et stimuler la croissance des aérosols peut être étudiée en détails. « Les vapeurs organiques présentes dans l’atmosphère peuvent passer par des niveaux d’oxydation successifs sous l’action des rayons solaires, de l’ozone, de l’oxyde d’azote, etc. Ce processus peut s'étendre sur plusieurs jours, explique Jasper Kirkby. Avec FLOTUS, nous sommes capables d’accélérer ce processus d’oxydation, jusqu’à reproduire en une minute un niveau d’oxydation atteint en plusieurs jours dans l’atmosphère. »

FLOTUS a été mis en service en avril dernier lors d’une exploitation technique de quatre semaines, durant laquelle le système a atteint ses performances nominales. « La construction et l'installation de FLOTUS ont constitué un énorme défi technique, brillamment relevé par les départements EN et EP, poursuit Jasper Kirkby. L'exploitation conjointe de FLOTUS et de CLOUD a doublé la complexité des expériences, ce qui rend nos recherches plus amusantes ! » La prochaine période d’exploitation, pour la physique cette fois, aura lieu cet automne. Affaire à suivre.

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Pour en savoir plus sur le fonctionnement de CLOUD (pré-FLOTUS), jetez un œil à cette vidéo : https://videos.cern.ch/record/2154271.