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Détecter Quoi ? Pourquoi ? Ecole de CargèseMars 2007.

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1 Détecter Quoi ? Pourquoi ? Ecole de CargèseMars 2007

2 Introduction : physique générale La matière… cest

3 ….ou encore…

4 Exemples: - radioactivité - structure en spin du nucléon - noyaux chauds - plasma de quarks et de gluons - état intermédiaire dans les collisions e + e - ou pp ou pp Principe détude 2 cas –Objet stable Il faut ״éclairer״ lobjet diffusion Il faut ״perturber״ lobjet retour à léquilibre –Objet instable On étudie sa désintégration Dans tous les cas, il faut détecter: - soit le projectile diffusé - soit les émissions de retour à léquilibre ou de désintégration particules

5 La méthodologie précédente est très générale

6 Particules chargées ex: électrons, protons, noyaux Particules neutresex: neutrons, neutrinos Cas particulier des photons (« grains » dénergie électromagnétique) –Ondes radio –Infra rouges –Visible –Ultraviolet –Rayons X –Rayons γ (gamma) Particules ou noyaux instablesex: π + μ + + ν μ π 0 2 γ Quelles sont les particules (ou rayonnements) à détecter?

7 En général, ces « particules » sont en mouvement et on peut donc les envoyer dans un détecteur pour les détecter, cest-à-dire y provoquer une ou des interactions. Détecter = –Identifier –Caractériser en énergie en quantité de mouvement en vitesse en position

8 Ordres de grandeur On exprime les énergies en … Les vitesses sont souvent grandes : v ~ c Energies cinétiques non relativistes : E cin = ½ mv 2 Les énergies cinétiques sont relativistes si E cin > E masse = m 0 c 2 –Exemples: Électron: E masse = 0,511 MeV Proton: E masse = 938 MeV Si E cin non relativiste : mesure de E cin et de v on déduit m eVkeVMeVGeVTeV

9 Quelques exemples LEP: –Projectile: électron; –E cin = 100 GeV = MeV à comparer à E masse = 0,511 MeV –Projectile ultra-relativiste LHC: –Projectile : proton; –E cin = 7 TeV = GeV à comparer à E masse = 0,938 GeV –Projectile ultra-relativiste GANIL: –Exemple de projectile : noyau de 40 Ar; –E cin = 50 MeV/nuc = = 2000 MeV à comparer à E masse = MeV –Projectile peu relativiste : v = km/s = 14 cm/ns –Temps de vol : 7 ns sur 1 mètre. Dans (presque) tous les cas, les détecteurs doivent être rapides

10 Détecter = Interagir

11 Principe numéro 1 Une particule ne peut être détectée que si elle est chargée ou si elle met en mouvement des particules chargées Cas des particules chargées : trivial Cas des particules neutres : –Mise en mouvement dun noyau (chargé) par collision ou par réaction –Exemples : neutrons rapides : n + A n + A efficacité meilleure si masse proj masse noyau (comme à la pétanque) n + p n + p neutrinos : ν + p e + + n Cas des photons –Mise en mouvement délectrons Effet photoélectrique Effet Compton Création de paires Cas des particules instables –Elles sont détectées soit directement (si chargées), soit par leurs produits de désintégration Exemples: π + μ + + ν μ ou π 0 2 γ

12 Remarque matière = noyau + électrons tout petit on ne voit (presque) que les électrons Force de Coulomb Mise en mouvement de lélectron ionisation ou excitation ralentissement du projectile notions de parcours de dE/dx Formule de Bethe Principe numéro 2 Les particules chargées ionisent les atomes

13 Remarque essentielle Lionisation est un phénomène linéaire : Exemples: –Arrêt total dans le détecteur –Ralentissement –Valeur de la constante: gaz: 30 eV; Solides (Silicium) : 3 eV Ordres de grandeur –arrêt dune particule α de 5 MeV : Gaz :n = / 30 ~1, électrons ionisés Silicium : n = / 3 ~1, électrons ionisés

14 Retour sur la formule de Bethe Effet de z et m identification possible Physique des particules et astroparticules Physique nucléaire

15 Cas des neutrons: - rappel du principe: - seule lénergie transférée à la particule chargée sera « vue » par le détecteur - n est variable dun évènement à lautre: Cas des photons: 3 cas de figure: a) effet photoélectrique b) effet Compton c) création de paires Cas des neutrinos - là aussi, seule lénergie de la particule chargée est vue par le détecteur Retour sur la détection de particules non chargées

16 Remarques essentielles Les particules chargées interagissent de façon continue dans la matière Les particules non chargées interagissent rarement mais de façon violente Conséquences - protection Il est facile de se protéger contre les particules chargées si épaisseur > parcours Il est impossible de parfaitement arrêter des particules non chargées - détection Il est facile de détecter une particule chargée (interactions multiples dans le détecteur) Il est impossible de détecter toutes les particules non chargées qui atteignent un détecteur Notion defficacité de détection

17 Efficacité de détection Exemple des neutronsExemple des photons Loi générale : Ce qui a interagi dans le détecteur: Efficacité de détection: Ce qui a interagi : N 0 - N Ce qui reste : N N0N0 N0N0 N N Lefficacité de détection croit avec la taille du détecteur Elle est toujours faible pour les neutrinos: doù la taille des détecteurs (Superkamiokande ou Antares ou Amanda)

18 Rayonnement de freinage –Significatif seulement pour les électrons rapides (E>10MeV) –Remarque: cest lorigine du rayonnement synchrotron cest la façon de créer des faisceaux intenses de photons Effet Cerenkov –Vitesse de la lumière dans un milieu dindice n: c/n –Il y a effet Cerenkov si : vitesse > c/n –Phénomène analogue au « passage du mur du son ». –La lumière est émise suivant un cône de demi-angle θ tel que : Conséquences: -Phénomène à seuil -Permet de mesurer une vitesse (détecteurs RICH) Principe numéro 3 Les particules chargées ont aussi dautres modes dinteraction quand elles sont relativistes

19 En résumé 8

20 Tentative de retour à léquilibre 2 familles de détecteurs –On empêche le retour à léquilibre et on détecte les électrons : détecteurs dionisation –On observe le retour à léquilibre : scintillation Principe numéro 4 La matière ionisée est « mal dans sa peau ». Une petite loupe sur la scintillation - Il y a plusieurs sortes de scintillation - fluorescence : rapide (ns) - fluorescence retardée ( 500 ns) - phosphorescence : lent (ms) - La proportion de ces mécanismes dépend des particules chargées détectées Identification possible

21 Résumé Principe n°1 On ne détecte que les particules chargées. Si la particule initiale nest pas chargée, on ne la détecte que si elle met en mouvement une particule chargée Principe n°2 Une particule chargée ionise (mécanisme principal). Ce mécanisme est linéaire Principe n°3 mécanismes additionnels - rayonnement de freinage - effet Cerenkov Principe n°4 Les atomes ionisés « veulent » revenir à léquilibre (recombinaison, scintillation) Conséquences Il y a deux sortes de détecteur : - détecteurs de lionisation - détecteurs de la scintillation Un contre-exemple : les bolomètres exemple : Edelweiss

22 Identifier Mesurer lénergie Localiser

23 Identifier 1)Les particules chargées (m, z) Méthode ΔE-E; utilisation de la formule de Bethe On a identifié On a aussi mesuré lénergie E

24 Lent Rap 6,7,8,9 Li 3 He H e -, 7,9,10 Be B 12 C ? 6 He 8 He Variante de la méthode ΔE-E Discrimination de forme - est utilisée pour les scintillateurs (séparation n-γ-particules légères) - pour séparer les noyaux, il faut faire mieux : traitement numérique du signal 12 C 13 C V(mV) time (ns) Principe : La forme dun signal dépend de la nature de la particule détectée. On étudie donc cette forme en reconstruisant le signal point par point. Cette méthode nouvelle est très générale et sera en particulier appliquée au silicium : projet FAZIA Elle implique un échantillonnage très rapide (GHz)

25 Une loupe sur le traitement numérique du signal E RcRc E t V 5 mV pour 10MeV et 100pF Limpulsion se construit pendant le mouvement des charges

26 Une loupe sur le traitement numérique du signal RcRc La forme de limpulsion reflète le détail du dépôt dénergie: en principe, elle permet donc didentifier (formule de Bethe)

27 Une autre méthode pour identifier Utilisation dun aimant mesure de E TV ( v) ρ Avantage : meilleure précision (mieux que le %) Inconvénients : mesure longue angle solide petit Exemple : Speg à Ganil

28 Mesurer m seulement : méthode du temps de vol Principe : L Ordres de grandeur : L : quelques mètres TV 100 ns détecteurs rapides nécessaires temps de réponse : ns (Cette méthode ne sapplique bien sûr pas pour les produits relativistes)

29 Cas particulier des particules instables : identifier en reconnaissant la décroissance par le temps : par la nature et l énergie des produits de désintégration : somme des énergies = 135 MeV dans le repère du

30 Identifier Mesurer lénergie ou la quantité de mouvement Localiser non relativiste:E cin = ½ mv 2 relativiste:E 2 = p 2 c 2 + m 0 2 c 4

31 Mesure de lénergie cinétique 1)lionisation est un phénomène linéaire - mesure du nombre délectrons arrachés (intégration du signal) méthode valable pour tous les détecteurs dionisation les meilleurs : Silicium (particules) et Germanium (gammas) - mesure du nombre de photons de retour à léquilibre (intégration du signal) les scintillateurs sont moins linéaires que les détecteurs dionisation : leur réponse dépend de la nature de la particule 2) Les aimants permettent des mesures précises - mesure (approximative) de lénergie - mesure du rayon de courbure - mesure de la position Cette méthode est générale : elle donne la vitesse -donc lénergie- (non relativiste) ou la quantité de mouvement -donc lénergie- (relativiste) Elle est utilisée dans tous les grands détecteurs de physique des particules

32 Identifier Mesurer lénergie Localiser

33 Mesure de la position 1)Dans les gaz : - chambres à dérive valeurs typiques de v drift : 6-10 cm/μs -chambres à fils ou à pads -TPC

34 Mesure de la position 2) Dans les Silicium : les strips ou les pads Must, Atlas, Alice,… 3) Dans les germanium : Exogam et le projet Agata

35 Mesure de la position 3) Dans les germanium (suite): Exogam et le projet Agata

36 Détermination du fil, du strip ou du pad 1) Électronique individuelle : si on est riche… sinon… 2)Division résistive 3)Division par retard Mais alors attention aux doubles coups ou aux hauts taux de comptage Localisation dans les scintillateurs 1) Localisation par différence de temps (Tonnerre, détecteur Opéra) 2) Localisation par centre de gravité (gamma camera)

37 -On ne sait « voir » que les particules chargées -Seuls les bolomètres (et encore..) peuvent voir la matière noire -Les signaux recueillis sont soit lionisation soit la lumière de retour à léquilibre -On sait mesurer lénergie, la position et les temps -On sait identifier -Lavenir passe par un rapprochement des techniques de la physique nucléaire et de la physique des particules et astroparticules -Lavenir passe par le traitement numérique du signal qui autorisera : une meilleure identification en physique nucléaire (identification en charge et en masse des noyaux) une meilleure résolution en position (germanium gamma) une réduction du bruit car une numérisation au plus près du détecteur Conclusion

38 Production de faisceaux de particules

39 Les sources radioactives –Nature des particules : –Alphas –Bétas –Gammas –Neutrons –Fragments de fission Les faisceaux artificiels non chargés –On ne sait les créer que par réaction ou interaction –Exemples: Photons : faisceaux intenses de haute énergie : rayonnement de freinage Photons : faisceaux intenses dénergie plus faible (domaine des X : keV) : rayonnement synchrotron : ESRF, Soleil Neutrons: flux intenses de neutrons dénergie limitée (< MeV) : réacteurs Neutrons : faisceaux dénergie définie produits par réaction (exemple : cassure du deuton : projet Spiral 2) Neutrinos : produits par les réacteurs (basse énergie) ou à partir de réactions induites par faisceaux de protons (Cern : expérience Opéra)

40 Production de faisceau de particules Les faisceaux chargés et « tordus » –On ne sait les produire quà partir de réactions de particules chargées plus simples et donc plus faciles à obtenir –Exemples : p + cible π + …. noyau stable + cible noyau radioactif + … Les faisceaux chargés et non « tordus » –Ce sont les électrons, les protons ou tous les noyaux stables LEP-ILC-CLICLHC Ganil 2 éléments : la source laccélérateur

41 Accélérateurs : Principe numéro 1 On ne sait accélérer que des particules chargées. On soumet ces particules à des champs électriques

42 Caractéristiques des faisceaux de particules 1) Leur énergie : Les grandes énergies ne seront possibles que par une succession daccélérations eVkeVMeVGeVTeV Ces chiffres sont énormes: généralement les intensités des faisceaux sexpriment en nA ou en μA. Le milliampère est une intensité énorme. Le projet IPHI a pourtant lambition datteindre 100mA. 2) La résolution en énergie : - Ordres de grandeur (1%) : médiocre : bon : excellent 3) Leur intensité : - Charge élémentaire : e = 1, C - 1 ampère (A) = 1 C/s = e/s Si on accélère des: Électrons : 1 A = électrons/seconde Protons : 1 A = protons/seconde Argon 15+: 1 A = /15 = argons/seconde

43 Relation importante Nb dév./s Nb. At. cible/cm 2 Flux (part./s) sect. effic. Une variante de lintensité : la luminosité - notion utile dans les collisionneurs - collisionneurs : au fait : pourquoi? pour ne pas gaspiller N : nombre de particules par paquet S : section f : nombre de paquets par seconde Nb dév. luminosité sect. effic. (cm 2 ou barn = cm 2 )

44 Caractéristiques des faisceaux de particules 4) Leur émittance : elle permet de mesurer les qualités géométriques dun faisceau Taille convergence Etude plus détaillée à une dimension : Émittance = π a b Unité : π. mm. mrad Ordres de grandeur : 10 π.mm.mrad

45 Caractéristiques des faisceaux de particules 5) Leur structure en temps : La plupart des faisceaux sont pulsés 3 caractéristiques : - fréquence (taux de répétition) valeurs typiques : 10 MHz à 100 MHz périodes :100 ns à 10 ns - largeur des paquets valeur typique : 1 ns - macrostructure (éventuellement) le faisceau peut être déversé par paquets par exemple 1 seconde toutes les 5 secondes Tous ces temps dépendent des techniques daccélération et du fait que les particules soient ou ne soient pas relativistes

46 Avantages –E précis (ΔE/E ) Inconvénient –E limité (V max = 20 MV) Utile pour les noyaux –Ex: Van de Graaf de Bordeaux La façon la plus simple daccélérer : le Van de Graaf Avantages –On a gagné en énergie Inconvénient –Il faut produire des ions négatifs Utile pour les noyaux –Ex: le tandem dOrsay La variante : le tandem

47 Le cyclotron Principe Accélérations successives –utilisation dune tension alternative Avantages –possibilité dénergies plus élevées Inconvénients –résolution ΔE/E médiocre (1%) –taille pour énergies élevées –Limitation aux énergies relativistes Application principale –faisceaux dions lourds (Ganil) Améliorations –machines supra (taille : MSU, T&M) –augmentation de létat de charge

48 Un prolongement : le synchrocyclotron Principe Nécessité de faire varier ω Conséquence : –Le faisceau a une macrostructure Avantage : –On monte haut en énergie Inconvénient : –La limitation pour les énergies très élevées –Masse très grande dacier Exemple : –Le SC médical dOrsay; les projets de hadronthérapie (Etoile et Asclépios) devient faux pour les énergies relativistes

49 Le synchrotron Objectif : –Atteindre des énergies très élevées –…donc, atteindre des rayons très élevés –…tout en limitant la quantité de fer… Les moyens pour y parvenir –Synchroniser et la pulsation ω, et le champ B Remarque : –La fréquence peut ne pas être synchronisée pour les électrons pré-accélérés Limitations –La taille –Les valeurs de B –Le rayonnement synchrotron Exemples de machines –Lep, LHC, RHIC, ESRF, Soleil Le successeur du LEP (ILC ou CLIC) ne sera pas un synchrotron (limitation du rayonnement synchrotron)

50 Le synchrotron Quelques exemples

51 Les accélérateurs linéaires Principe : –Dérouler un cyclotron… –…avec des électrodes ou des cavités HF Avantages –Pas de limitation due au rayonnement synchrotron –Résolution en énergie très bonne –Bonne qualité de faisceau (émittance) Inconvénients dans le cas des collisionneurs –Une seule collision : la luminosité doit être énorme (tailles de lordre du micron) Exemples –ALTO, (LAL), SLAC, ILC, CLIC

52 Les sources des accélérateurs Electrons : –Filament chauffé (cf tube télé) Protons et noyaux : –Nécessité de former un plasma Source PIG –Courant délectrons entre cathode et anticathode –Inconvénient de la durée de vie Source ECR –Principe : celui du cyclotron –Avantage de la durée de vie –Avantage des états de charge élevés

53 Principe : –Accélération dun faisceau stable –Réaction de production –Reprise des faisceaux Sans accélération Avec accélération Lexistant en France : –Sissi –Spiral1 Lavenir : –Monter les intensités –Produire des faisceaux de plus en plus lourds –Projets : Spiral2 : horizon 2009 Eurisol : horizon 2015 Fair (Darmstadt), RIA (Oak Ridge), Riken La production de faisceaux radioactifs

54

55 -Les accélérateurs du futur obéissent à 3 objectifs : -très hautes énergies délectrons (TeV): linéaires -physique fine du boson de Higgs et des part. super symétriques -très hautes intensités (100mA protons 1 GeV) -sources de neutrons intenses -réacteurs assistés par accélérateurs (ADS) -faisceaux radioactifs intenses -Eurisol (après Spiral2), FAIR, RIA, Riken -les énergies ultimes viennent du cosmos…. -expériences Auger, Lisa,… Conclusion


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