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BA3-physique -2009-2010C. Vander Velde 1 II. Moyens d’investigations expérimentales (introduction) PHYS-F-305.

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1 BA3-physique C. Vander Velde 1 II. Moyens d’investigations expérimentales (introduction) PHYS-F-305

2 C. Vander Velde2 BA3-physique 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

3 C. Vander Velde3 BA3-physique 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 : 90 Sr : source d’électrons – demi vie :29 ans spectre d’énergie jusqu’à 2281 keV 60 Co : source de  – demi vie : 5,3 ans énergie ~1 250 keV 55 Fe : 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.

4 C. Vander Velde4 BA3-physique 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

5 C. Vander Velde5 BA3-physique II.1.Où trouver des particules ? Rayonnement cosmique Flux 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.

6 C. Vander Velde6 BA3-physique II.1.Où trouver des particules ?  Spectre d’énergie : 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!

7 C. Vander Velde7 BA3-physique 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.

8 C. Vander Velde8 BA3-physique 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

9 C. Vander Velde9 BA3-physique 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)

10 C. Vander Velde10 BA3-physique 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.

11 C. Vander Velde11 BA3-physique II.1.Où trouver des particules ? Accélérateurs (partie 1) Exemple d’expérience à cible fixe :

12 C. Vander Velde12 BA3-physique II.1.Où trouver des particules ? Accélérateurs (partie 1) 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).

13 C. Vander Velde13 BA3-physique II.1.Où trouver des particules ? Accélérateurs (partie 1) 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.

14 C. Vander Velde14 BA3-physique II.1.Où trouver des particules ? Accélérateurs (partie 1) Collisionneurs : faisceau 1 CMS au LHC

15 C. Vander Velde15 BA3-physique Accélérateurs (partie 1) Collisionneurs : M AB 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 E L, l’énergie identique des 2 faisceaux, on a : II.1.Où trouver des particules ?

16 C. Vander Velde16 BA3-physique II.1.Où trouver des particules ? Accélérateurs (partie 1) Cible fixe : Soit B la particule cible, au repos, A celle du faisceau, E L = E A : La masse invariante ne croît que comme la racine de E L, tandis que pour le collisionneur, elle croît linéairement.

17 C. Vander Velde17 BA3-physique II.1.Où trouver des particules ? Accélérateurs (partie 1) 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. (voir rappel de relativité)

18 C. Vander Velde18 BA3-physique II.1.Où trouver des particules ? Accélérateurs (partie 1) 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 de protons du CERN principe d’une source d’électrons

19 C. Vander Velde19 BA3-physique II.1.Où trouver des particules ? Accélérateurs (partie 1) Tube à vide: Dans un accélérateur, les faisceaux de particules circulent dans un tube dans lequel règne un vide très poussé (10 -5 à 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

20 C. Vander Velde20 BA3-physique II.1.Où trouver des particules ? Accélérateurs (partie 1) Le cyclotron : ancêtre des accélérateurs

21 C. Vander Velde21 BA3-physique II.1.Où trouver des particules ? Accélérateurs (partie 1) Le cyclotron : Cyclotron de Berkley de 184 ’’ en 1940, lors de son installation Cyclotron de Rutgers de 27 ’’

22 C. Vander Velde22 BA3-physique II.1.Où trouver des particules ? Accélérateurs (partie 1) 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). et

23 C. Vander Velde23 BA3-physique 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  m on distingue les grains d’une émulsion photographique. Spectre des ondes électromagnétiques: Ondes|Infra|Visible|Ultra|Rayon X|Rayons  radio|rouge| |violet| | |||| | µm

24 C. Vander Velde24 BA3-physique II.2.Comment détecter les particules ? Nécessité d’une détection indirecte  Microscope électronique :  Particules élémentaires : Hadrons (proton) : d ~ m = µm Quarks : d < m = µm Utilise des électrons accélérés pour diminuer (E = hc / ). Pour U ~100 kV, th ~q.q. pm mais à cause des aberrations des lentilles magnétiques :  ~ qq m On «voit» des détails de la taille des atomes. 50 atomes de fer On ne peut les “voir” même avec un microscope électronique

25 C. Vander Velde25 BA3-physique 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

26 C. Vander Velde26 BA3-physique II.2.Comment détecter les particules ? Détection des particules chargées 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.

27 C. Vander Velde27 BA3-physique II.2.Comment détecter les particules ? Détection des particules chargées  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

28 C. Vander Velde28 BA3-physique II.2.Comment détecter les particules ? Détection des particules chargées  Les détecteurs photographiques : Effets thermodynamiques : 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

29 C. Vander Velde29 BA3-physique II.2.Comment détecter les particules ? Chambre à brouillard, Wilson 1911

30 C. Vander Velde30 BA3-physique II.2.Comment détecter les particules ? Détection des particules chargées  Les détecteurs photographiques : Effets thermodynamiques : 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

31 C. Vander Velde31 BA3-physique II.2.Comment détecter les particules ? Détection des particules chargées  Les détecteurs photographiques : Effets thermodynamiques : La chambre à bulles : 123 ms ABC temps P P sat. 1 Décompression 2Période de sensibilité A : arrivée du faisceau B : flash 3Recompression C: 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.

32 C. Vander Velde32 BA3-physique II.2.Comment détecter les particules ? Détection des particules chargées  Les détecteurs photographiques : Effets thermodynamiques : La chambre à bulles : Chambre à bulles à H2, BEBC – CERN Avantages - visualisation claire (2 D + stéréo) - résolution spatiale :  x ~1 mm - volume jusqu’ à 30 m 3 Désavantages - cyclage lent (~ 30 Hz) - sensibilité courte ( ~ ms) - pas de déclenchement (= trigger) - analyse des clichés longue (vus un par un)

33 C. Vander Velde33 BA3-physique II.2.Comment détecter les particules ? Détection des particules chargées  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

34 C. Vander Velde34 BA3-physique II.2.Comment détecter les particules ? Détection des particules chargées  Les détecteurs photographiques : Effets chimiques : 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

35 C. Vander Velde35 BA3-physique II.2.Comment détecter les particules ? Détection des particules chargées  Les détecteurs photographiques : Effets chimiques : L’émulsion nucléaire : Avantages   résolution spatiale (3D) < 1 µm   volume 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

36 C. Vander Velde36 BA3-physique II.2.Comment détecter les particules ? Détection des particules chargées  Les 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.

37 C. Vander Velde37 BA3-physique II.2.Comment détecter les particules ? Détection des particules chargées  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.

38 C. Vander Velde38 BA3-physique II.2.Comment détecter les particules ? Détection des particules chargées  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).

39 C. Vander Velde39 BA3-physique II.2.Comment détecter les particules ? Détection des particules chargées  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

40 C. Vander Velde40 BA3-physique II.2.Comment détecter les particules ? Détection des particules chargées  Les détecteurs électroniques : Détecteurs à volume sensible gazeux (ou liquide) anode cathode Le 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.

41 C. Vander Velde41 BA3-physique II.2.Comment détecter les particules ? Détection des particules chargées  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)

42 C. Vander Velde42 BA3-physique II.2.Comment détecter les particules ? Détection des particules chargées  Les détecteurs électroniques : Détecteurs à semi-conducteurs 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) :

43 C. Vander Velde43 BA3-physique II.2.Comment détecter les particules ? Détection des particules chargées  Les détecteurs électroniques : Détecteurs à semi-conducteurs Jonction n-p + n - p n + p - Zone dépeuplée Détecteur : jonction n-p polarisée La particule chargée crée des paires électron-trou qui migrent vers les électrodes et y induisent un signal.

44 C. Vander Velde44 BA3-physique II.2.Comment détecter les particules ? Détection des particules chargées  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, p T, à partir d’une mesure du rayon de courbure, , de la trajectoire : (unités du SI) (voir TP)

45 C. Vander Velde45 BA3-physique 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 :

46 C. Vander Velde46 BA3-physique II.2.Comment détecter les particules ? Détection des particules neutres 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

47 C. Vander Velde47 BA3-physique II.2.Comment détecter les particules ? Détection des particules neutres 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-e-

48 C. Vander Velde48 BA3-physique Références “Particle Physics”, B.R. Martin and G. Shaw, 3 rd Edition (2008), Wiley. Leo Stefaan?


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