ba3-physique -2009-2010c. vander velde 1 ii. moyens d’investigations expérimentales...

BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde 1

II. Moyens d’investigations expérimentales (introduction)

PHYS-F-305

C. Vander Velde 2BA3-physique -2009-2010

Contenu du chapitre II

II.1.Où trouver des particules ? Sources radioactives Réacteurs nucléaires Rayonnement cosmique Accélérateurs (partie 1)

II.2.Comment détecter les particules (introduction)? Nécessité d’une détection indirecte Détection des particules chargées Détection des particules neutres


II.1.Où trouver des particules ? Sources radioactives

Matière radioactive contenue dans une enceinte épaisse percée d’un trou qui laisse échapper les produits de désintégrations nucléaires : α (noyau d’helium), β (électron) et (photons).

Exemples : 90Sr : source d’électrons – demi vie :29 ans

spectre d’énergie jusqu’à 2281 keV

60Co : source de – demi vie : 5,3 ans

énergie ~1 250 keV

55Fe : source de – demi vie : 2,7 ans

énergie ~6 keV

Produisent un rayonnement de basse

énergie (de q.q. keV à q.q. MeV) et ne

sont plus utilisées en physique des

particules que pour tester des détecteurs.


II.1.Où trouver des particules ? Réacteurs nucléaires :

Outre les particules citées pour les sources, ceux-ci émettent aussi des neutrons et des neutrinos en abondance. Certaines expériences sont actuellement installées auprès de réacteurs nucléaires.

Exemple : le détecteur installé à 1 km du réacteur

de Chooz, dans les Ardennes. Il a permis

d’étudier les oscillations de neutrinos, c’est-à-dire la

transformation d’une espèce de neutrino en une

autre. Une nouvelle expérience, Double Chooz y est en développement détecteur de l’expérience de Chooz


II.1.Où trouver des particules ? Rayonnement cosmiqueFlux de particules d’énergie relativiste qui baigne tout l’univers.

Composition : Composante chargée :

constituée de protons (85-90%) + noyaux d’helium (14-9%) + autres noyaux légers et électrons (1%)

Composante neutre :constituée de photons et de neutrinos

Origine :Encore mystérieuse : explosions de supernovas ? Noyaux actif de galaxie, sursauts gamma, trous noirs, hypernovas ?

Objet de la physique des astroparticules.


II.1.Où trouver des particules ?Spectre d’énergie :

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Spectre_rayons_cosmiques.gif

Flux incident d’astroparticules en provenance du cosmos, à leur entrée dans l’atmosphère

terrestre ; les plus énergétiques sont

extrêmement rares : 1 particule par km² et par an!


II.1.Où trouver des particules ?Gerbes atmosphériques :A l’entrée des protons dans l’atmosphère :

interactions avec les nucléons de l’air

particules secondaires d’énergie moindre

interagissent à leur tour ou se désintègrent

gerbe de particules.

Découvertes en 1938 par Pierre Auger.

Composition au niveau du sol : muons (~75%) électrons, positrons ( électrons positifs) et photons (25%) + un flot abondant de neutrinos, certains produits dans les gerbes

cosmiques mais la plupart provenant directement du soleil ou de l’espace interstellaire et intergalactique.


II.1.Où trouver des particules ?Utilisation en physique des

particules :La plupart des premières découvertes ont été faites à partir du rayonnement cosmique; c’était la seule source de particules énergétiques jusqu’au début des années 50. gratuit ! muons d’énergie supérieure à celle des sources

radioactives produits abondamment (~1/dm²/s) pour une quantité de mouvement de 1 ou 2 GeV/c.

Malheureusement, pour les énergies plus élevées, ils sont très rares et incontrôlables.

Développement d’accélérateurs de particules


II.1.Où trouver des particules ?

Accélérateurs (partie 1)Objectif : provoquer en abondance et de manière contrôlée, des interactions entre particules à haute énergie, soit pour pouvoir étudier leur structure interne, soit pour créer de nouvelles particules massives : choix des particules choix de leur énergie

Expériences à cible fixe :

cible = morceau de matière au repos = protons, neutrons, électrons

sur laquelle on envoie un faisceau

de particules accélérées

(dans la mesure du possible)


II.1.Où trouver des particules ? Accélérateurs (partie 1)

Expériences à cible fixe :

-avantage : cible facile à produire et très dense

-désavantage : en vertu de la conservation de la quantité de mvt, une partie de l’énergie du faisceau incident est perdue pour fournir de l’énergie cinétique aux produits de l’interaction et ne peut servir à produire des particules.



Exemple

d’expérience

à cible fixe :



Collisionneurs :

Deux faisceaux de particules accélérées

sont dirigés l’un vers l’autre, avec un

angle faible ou nul.

-désavantage : taux de collisions plus faible, un faisceau étant plusieurs ordres de grandeur moins dense que la matière.

-avantage : toute l’énergie cinétique des faisceaux peut être utilisée pour produire des particules (E = mc²).



Collisionneurs :

Dans le cas d’un collisionneur, les particules sont émises dans toutes les directions et le détecteur doit entourer le point de collision aussi complètement que possible.



Collisionneurs :

faisceau 1

CMS au LHC


Accélérateurs (partie 1)Collisionneurs :

MAB est appelée la masse invariante du système A-B (voir notes de relativité):

Pour une collision frontale de deux faisceaux de particules de même masse et de même énergie, le système du laboratoire (SL) est confondu avec le système du centre de masse (SCM) et :

Soit EL, l’énergie identique des 2 faisceaux, on a :


222 2 2AB AB AB A B A BM =E -p = E +E - p +p

22AB A BM = E +E

AB LM =2E



Cible fixe :

Soit B la particule cible, au repos, A celle du faisceau, EL = EA :

La masse invariante ne croît que comme la racine de EL, tandis que pour le collisionneur, elle croît linéairement.

222 2 2 2 2 2AB A B A A B A B A A B L BM = E +m - p =E +m +2E m -p m +m +2E m

2 2AB A B L BM = m +m +2E m



Principe de fonctionnement de l’accélérateur :

L’accélération est produite par la force é.m. :

La force magnétique est ┴ à la vitesse; elle dévie donc la trajectoire et

ne peut produire une augmentation d’énergie cinétique; elle est utilisée uniquement pour guider et focaliser les faisceaux. C’est la force électrique qui est seule capable d’augmenter l’énergie cinétique des particules.

tangent au faisceau, ┴ au faisceau.

dp zeE ze v B

dt

E B

(voir rappel de relativité)



Particules accélérées:

Ce doit être des particules chargées et stables qu’on trouve en abondance dans la matière : protons :H gazeux ionisé par une décharge électrique ions : O, S, Fe, Pb, Au, ... ionisation totale par étapes e- : filament chauffé par le passage d’un courant

source deprotons du

CERN

principe d’unesource d’électrons



Tube à vide:

Dans un accélérateur, les faisceaux de particules circulent dans un tube dans lequel règne un vide très poussé (10-5 à 10-9 Pa), afin d’éviter que les collisions des particules du faisceau avec des molécules d’air ne dispersent le faisceau.

Tube à vide en béryllium du LEP, à l’entrée d’un des

détecteurs



Accélérateurs (partie 1)Le cyclotron : ancêtre des accélérateurs



Le cyclotron :

Cyclotron de Berkley de 184 ’’ en 1940, lors de son installation

Cyclotron de Rutgers de 27 ’’



Le cyclotron :

Les cyclotrons travaillent à constant et permettent d’atteindre des énergies, de 10 à 30 MeV pour un proton ( ~ 0.2). On peut appliquer les formules de mécanique classique ( m constante ) :

Dès lors la fréquence du cyclotron reste constante lorsque l’énergie de la particule accélérée augmente. Le champ électrique accélérateur reste synchronisé avec le passage des particules entre les 2 D.

Pour atteindre des énergies plus grandes il faut modifier la fréquence du champ accélérateur car la masse m commence à augmenter (effet relativiste).

2 mvmv ze v B rr ze . B

v ze Bf

2 r 2 m

et

B


II.2.Comment détecter les particules ? Nécessité d’une détection indirecte

Nous avons vu que pour observer des détails de dimension d, il faut

« éclairer » avec une longueur d’onde ≤ d. Microscope optique : 0.5 mon distingue les grains d’une émulsion photographique.

Spectre des ondes électromagnétiques:

Ondes |Infra |Visible |Ultra |Rayon X|Rayons radio |rouge | |violet | |

| | | | | 100 0.6 0.4 0.001 10-6 µm


II.2.Comment détecter les particules ? Nécessité d’une détection indirecte

Microscope électronique :

Particules élémentaires :Hadrons (proton) : d ~10-15 m = 10-9 µmQuarks : d < 10-18 m = 10-12 µm

Utilise des électrons accélérés pour diminuer (E = hc / ) .

Pour U ~100 kV, th ~q.q. pm mais à causedes aberrations des lentilles magnétiques : ~ qq 10-10 mOn «voit» des détails de la taille des atomes.

50 atomes de fer

On ne peut les “voir” même avec un microscopeélectronique


II.2.Comment détecter les particules ? Détection des particules chargées

Il existe une multitude de détecteurs de particules différents. Tous sont basés sur la détection de la perturbation du milieu laissée par le passage d’une particule chargée. Pour la grande majorité des détecteurs cette perturbation consiste en l’ionisation ou l’excitation d’atomes du milieu suite à l’interaction é.m. de la particule incidente, principalement avec les électrons atomiques. Cette ionisation est déposée tout au long de la trajectoire de la particule chargée et celle-ci laisse une trace d’ions + et -, qui peut être détectée de diverses façons.

++

+++

++

+++

--

- - ------



Tout détecteur comporte donc un volume sensible dans lequel se produiront les perturbations; celui-ci peut être gazeux, liquide ou solide. Les détecteurs peuvent aussi être classés suivant la forme sous laquelle l’information est récoltée. Cela peut être une photo sur laquelle sont visualisées les traces des particules chargées ou des signaux électroniques qui nécessiteront une reconstruction pour en extraire l’information souhaitée

Les détecteurs photographiques :L’ionisation déposée par la particule chargée le long de sa trajectoire provoque différents phénomènes, thermodynamiques ou chimiques, qui sont à la base de la formation d’une image des traces.



Les détecteurs photographiques : Effets thermodynamiques :

La chambre à brouillard :La particule chargée traverse un gaz placé dans un état sursaturé, au moyen d’un piston qui effectue une détente adiabatique. Le déséquilibre thermodynamique provoqué par les ions créés le long de la trajectoire conduit à la formation de goutelettes de condensation qui sont éclairées et photographiées. Un champ électrique permet de collecter les ions avant la prochaine prise de vue. animation




La chambre à brouillard :C’est le plus ancien détecteur, mis au point par Wilson; au départ celui-ci voulait démontrer que la formation des goutelettes dans les nuages pouvaient être provoquée non seulement par des poussières mais aussi par des charges électriques.

Chambre à brouillard, Wilson 1895


II.2.Comment détecter les particules ?

Chambre à brouillard,

Wilson 1911




La chambre à bulles :Le principe est le même mais cette fois le milieu sensible est un liquide surchauffé, juste sous la T° d’ébullition, placé dans un état métastable à l’aide du piston; ce sont des bulles de gaz qui se forment le long de la trajectoire et grossissent. Une fois les bulles assez grosses pour être visibles, des photos sont prises sous différents angles afin de permettre une reconstruction à 3 dimensions. Le liquide est ensuite recomprimé pour stopper l’ébullition du liquide.

La chambre à bulle a été inventée par Donald Glaser en 1952, afin de bénéficier d’une cible beaucoup plus dense, typiquement x 1000, que le gaz de la chambre à brouillard.

Premières traces observées dans une chambre à bulles à

hydrogène




La chambre à bulles :

1 2 3

ms ms

A B C

temps

P

Psat.

1 Décompression

2 Période de sensibilitéA : arrivée du faisceauB : flash

3 RecompressionC: Avancement du film

Ce cycle lent (plusieurs ms) empêche de déclencher la chambre lorsque l’arrivée d’une particule cosmique est détectée. Les chambres à bulles n’ont pu être utilisée qu’avec l’arrivée des premiers accélérateurs.




La chambre à bulles :Chambre à bulles à H2, BEBC – CERN

1973-1984

Avantages - visualisation claire (2 D + stéréo) - résolution spatiale : x ~1 mm - volume jusqu’ à 30 m3

Désavantages - cyclage lent (~ 30 Hz)- sensibilité courte ( ~ ms)- pas de déclenchement (= trigger)- analyse des clichés longue (vus un par un)



Les détecteurs photographiques : Effets chimiques :

L’émulsion nucléaire :

• Cristaux Ag Br (0.2 µm) dans gélatine (C, N, O H)• Ionisation Ag+, Br- formation d’une image latente• Traitement chimique (développement)

grains d'Ag métallique (~20 –30/100 µm)Détecteur = empilement de feuilles (0.1 à 1 mm épaisseur)

Exposition horizontale ou verticale

Faisceau




L’émulsion nucléaire :Après exposition du stack d’émulsion au rayonnement, les feuilles sont développées, collées sur une plaque de verre (rigidité) et examinées au microscope optique

Eclatement d’un noyau de la haute atmosphère en plusieurs fragments

nucléaires, suite à une interaction avec un rayon

cosmique - 1937




L’émulsion nucléaire : Avantagesrésolution spatiale (3D) < 1 µmvolume réduit

Désavantages : pas de résolution en temps : superposition des événements se produisant

à des moments différents analyse au microscope longue ... mais, récemment, microscope + caméra vidéo dépouillement processeur analyseur d'images complètement automatisé


II.2.Comment détecter les particules ? Détection des particules

chargéesLes détecteurs électroniques :

Le passage d’une particule chargée dans le volume sensible du détecteur conduit à un signal électronique dont les caractéristiques sont mesurées, enregistrées et analysées par ordinateur. Très rapide et permet de traiter de grandes quantités de données automatiquement. Permet aussi la sélection en ligne (trigger) des événements intéressants.

Pratiquement tous les détecteurs actuels sont électroniques.



Les détecteurs électroniques :Ils peuvent être de différents types :

Détecteurs à scintillation Détecteurs à volume sensible gazeux Détecteurs à semi-conducteurs

Nous ne verrons dans ce chapitre que les grands principes. Ces détecteurs seront vus plus en détail ultérieurement.



Les détecteurs électroniques : Détecteurs à scintillation :Au passage d ’une particule chargée, les atomes du scintillateur sont excités et se désexcitent en émettant de la lumière pour laquelle il est transparent. Le scintillateur est emballé

dans du papier aluminium réfléchissant et ensuite dans du plastic noir pour le protéger de la lumière ambiante. Il est relié à un guide de lumière qui amène le signal lumineux sur un photomultiplicateur (PM).



Les détecteurs électroniques : Photomultiplicateur :

Détecteur de photons basé sur l’effet photoélectrique : le photon est absorbé par un atome de la photocadode qui une fois excité, émet un électron pour se désexciter. Le signal électronique est ensuite multiplié, afin de devenir décelable par une électronique de lecture, au moyen d’une succession de dynodes, portées à des potentiels électriques différents.

photons



Les détecteurs électroniques : Détecteurs à volume sensible gazeux (ou liquide)

anode

cathodeLe volume sensible est plongé dans un champ électrique au moyen d’électrodes. Le mouvement des ions vers les électrodes induit des signaux électroniques sur celles-ci.



Les détecteurs électroniques : Détecteurs à semi-conducteurs

Pour un matériaux semi-conducteur, l’énergie est faible entre bande de valence et bande de conduction (~1 eV), ce qui permet de faire passer aisément un électron de valence dans la bande de conduction, laisant un “trou” dans la bande de valence. électron libre

(charge -)

trou (charge +)

Exemple : le silicium (valence 4)




Le nombre de porteurs libres, électrons ou trous, peut être augmenté en dopant le semi-conducteur, avec un faible pourcentage d’impuretés..

impureté de valence

5

électron en excès

trou en excès

impureté de valence

3

type n (négatif) : type p (positif) :




Jonction n-p+

n

-

p

n

+

p

-

Zone dépeuplée

Détecteur : jonction n-p polariséeLa particule chargée crée des paires électron-trou qui migrent vers les électrodes et y induisent un signal.



Mesure de la quantité de mouvement, p :Les détecteurs de traces sont souvent plongés dans un champ magnétique, B, qui incurve la trajectoire des particules chargées. Ceci permet d’une part de déterminer le signe de la charge électrique, d’autre part, de déterminer la quantité de mvt de la particule dans le plan transverse au champ magnétique, pT, à partir d’une mesure du rayon de courbure, , de la trajectoire :

tp

B

tp Gev/c = 0,3×B T ×ρ m (unités du SI)

(voir TP)


II.2.Comment détecter les particules ? Détection des particules neutres

Les particules neutres ne laissent ni ionisation ni n’excitent les atomes sur leur passage. Elles ne laissent donc pas de traces directes dans les détecteurs. On ne peut les détecter que lorsqu’elles se désintègrent ou interagissent pour produire des particules qui elles sont chargées et laissent une trace. Nous reviendrons sur ce point après avoir étudié les différentes interactions des particules avec la matière. En attendant, voici quelques exemples :



Interaction d’un neutrino (neutre) dans une chambre à bulles, produisant une particule neutre, appelée °, qui se désintègre en deux particules,

l’une chargée positivement, un proton, et l’autre négativement, un méson -

Notez la présence d’un

champ magnétique qui

incurve les trajectoires



Interaction d’un neutrino avec un électron atomique produisant une particule neutre (neutrino) et un électron. Seul l’électron de l’état final laisse une trace, l’électron initial étant pratiquement au repos. La grande énergie de l’électron produit indique une particule neutre incidente énergétique (conservation de la quantité de mvt).

Une des premières observation d’une interaction dite à courant neutre.

incident

e-


Références

“Particle Physics”, B.R. Martin and G. Shaw, 3rd Edition (2008), Wiley.

Leo ...... Stefaan?

ba3-physique -2009-2010c. vander velde 1 ii. moyens d’investigations expérimentales...

Documents