Comment identifier une particule ?

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1 Comment identifier une particule ?
Les interactions particules – matière Cas des neutrinos Cas des électrons et muons Cas des photons Cas des hadrons Les différents types de détecteurs Détecteurs à ionisation Détecteurs à scintillation Détecteurs à semi-conducteurs Détecteurs à effet Tcherenkov Le détecteur CMS du LHC Le détecteur AMS de la station ILS Le détecteur Antarès

2 Comment identifier une particule ?
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3 Comment identifier une particule ?
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5 Comment identifier une particule ?
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6 Détecteur à ionisation Détection à scintillation
Détecteurs de particules (Université de Genève : ) Détecteur à ionisation Détection à scintillation Détecteur à semi-conducteur Détecteur à effet Tcherenkov Comment identifier une particule ? Les interactions particules – matière Cas des neutrinos Cas des électrons et muons Cas des photons Cas des hadrons Les différents types de détecteurs Détecteurs à ionisation Détecteurs à scintillation Détecteurs à semi-conducteurs Détecteurs à effet Tcherenkov Le détecteur CMS du LHC Le détecteur AMS de la station ILS Le détecteur Antarès

7 Détecteurs à ionisation :
Détecteurs à ionisation : Détectent le passage d’une particule chargée en mesurant la charge totale des électrons et les ions produits dans l’ionisation du milieu par la particule. Le milieu peut être de gaz, liquide ou solide. Pour récupérer les électrons et les ions avant qu’ils ne se recombinent en atomes, il faut la présence d’un champ électrique qui les séparent et les font dériver vers les électrodes respectifs. Les charges (électrons et ions) qui dérivent induisent des courants sur les électrodes. Ces courants sont détectés par un amplificateur qui produit un signal électronique. Comment identifier une particule ? Les interactions particules – matière Cas des neutrinos Cas des électrons et muons Cas des photons Cas des hadrons Les différents types de détecteurs Détecteurs à ionisation Détecteurs à scintillation Détecteurs à semi-conducteurs Détecteurs à effet Tcherenkov Le détecteur CMS du LHC Le détecteur AMS de la station ILS Le détecteur Antarès

8 L’application la plus importante des chambres proportionnelles
Les charges détectées par l’amplificateur dépendent de plusieurs facteurs techniques, avant tout de la haute tension du champ électrique. On définit les différentes régions opérationnelles d’un détecteur à ionisation : Dans la région Région proportionnelle le nombre totale d’ionisations est proportionnel au nombre d’ionisations initiales. L’application la plus importante des chambres proportionnelles est la mesure de position idéal pour servir comme un traceur devant un calorimètre. Comment identifier une particule ? Les interactions particules – matière Cas des neutrinos Cas des électrons et muons Cas des photons Cas des hadrons Les différents types de détecteurs Détecteurs à ionisation Détecteurs à scintillation Détecteurs à semi-conducteurs Détecteurs à effet Tcherenkov Le détecteur CMS du LHC Le détecteur AMS de la station ILS Le détecteur Antarès

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10 Détecteurs à scintillation :
Certains milieux transparents émettent une petite quantité de lumière en désexcitation après s’être excités par une particule chargée (fluorescence). Ces photons peuvent être détectés par un dispositif photosensible, si le milieu est transparent dans le domaine de longueur d’onde correspondant au moins à certains de ces photons. Il existe divers milieux qui satisfont à cette condition de transparence : Les scintillateurs organiques (plastique, liquide, cristal) Les scintillateurs inorganiques (cristal): NaI(Tl), CsF2, Comment identifier une particule ? Les interactions particules – matière Cas des neutrinos Cas des électrons et muons Cas des photons Cas des hadrons Les différents types de détecteurs Détecteurs à ionisation Détecteurs à scintillation Détecteurs à semi-conducteurs Détecteurs à effet Tcherenkov Le détecteur CMS du LHC Le détecteur AMS de la station ILS Le détecteur Antarès

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12 Photomultiplicateur :
Photomultiplicateur : convertir les photons de scintillation en un signal électrique, qui peut être ensuite traité électroniquement (amplificateur etc.). Comment identifier une particule ? Les interactions particules – matière Cas des neutrinos Cas des électrons et muons Cas des photons Cas des hadrons Les différents types de détecteurs Détecteurs à ionisation Détecteurs à scintillation Détecteurs à semi-conducteurs Détecteurs à effet Tcherenkov Le détecteur CMS du LHC Le détecteur AMS de la station ILS Le détecteur Antarès

13 Détecteurs à semi-conducteur :
Type particulier de détecteurs à ionisation : au lieu d’exciter ou ioniser le milieu, une particule chargée traversant la zone de déplétion d’une jonction PN crée des paires d’électron-trous Les charges ainsi créées peuvent être détectées en appliquant un champ électrique, comme dans d’autres types de détecteurs d’ionisation. exemple : détecteur au silicium de micro-bande Comment identifier une particule ? Les interactions particules – matière Cas des neutrinos Cas des électrons et muons Cas des photons Cas des hadrons Les différents types de détecteurs Détecteurs à ionisation Détecteurs à scintillation Détecteurs à semi-conducteurs Détecteurs à effet Tcherenkov Le détecteur CMS du LHC Le détecteur AMS de la station ILS Le détecteur Antarès

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15 Chambre d’ionisation à gaz Détecteur de traces
Noyau de fer canalisant le champ magnétique Aimant supraconducteur Comment identifier une particule ? Les interactions particules – matière Cas des neutrinos Cas des électrons et muons Cas des photons Cas des hadrons Les différents types de détecteurs Détecteurs à ionisation Détecteurs à scintillation Détecteurs à semi-conducteurs Détecteurs à effet Tcherenkov Le détecteur CMS du LHC Le détecteur AMS de la station ILS Le détecteur Antarès Calorimètre à scintillation Détecteur de trace à silicium

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17 Détecteur à effet Cherenkov
Un rayonnement Chérenkov est émis lorsqu’une particule chargée traverse un milieu diélectrique avec une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière dans le milieu : L’émission a lieu sur un cône d’angle : Ce rayonnement se produit dans tous les milieux transparents, y compris dans les scintillateurs, mais 100× plus faible. Comment identifier une particule ? Les interactions particules – matière Cas des neutrinos Cas des électrons et muons Cas des photons Cas des hadrons Les différents types de détecteurs Détecteurs à ionisation Détecteurs à scintillation Détecteurs à semi-conducteurs Détecteurs à effet Tcherenkov Le détecteur CMS du LHC Le détecteur AMS de la station ILS Le détecteur Antarès

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19 Comment identifier une particule ?
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20 CMS http://www.lhc-france.fr/lhc/
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21 Le site du détecteur CMS : http://cms.web.cern.ch/news/what-cms
Les évènements en temps réel : Comment identifier une particule ? Les interactions particules – matière Cas des neutrinos Cas des électrons et muons Cas des photons Cas des hadrons Les différents types de détecteurs Détecteurs à ionisation Détecteurs à scintillation Détecteurs à semi-conducteurs Détecteurs à effet Tcherenkov Le détecteur CMS du LHC Le détecteur AMS de la station ILS Le détecteur Antarès

22 Le fonctionnement du détecteur :

23 Communiqué de presse du CERN : Lancement de AMS 16 mai 2011
Communiqué de presse du CERN : Lancement de AMS 16 mai 2011 « Dans des laboratoires comme le CERN, les physiciens ont observé que matière et antimatière se comportent de façon quasi-identique. Chaque particule de matière possède sa propre antiparticule, qui est équivalente, mais dont la charge est opposée. Au contact l’une de l’autre, matière et antimatière s’annihilent. Lors du Big Bang, elles auraient été produites en quantité égale ; pourtant, notre Univers semble aujourd'hui entièrement constitué de matière. La nature préfèrerait-elle la matière à l’antimatière ? L’une des principales missions d’AMS sera de répondre à cette question en recherchant des noyaux d’antimatière qui signaleraient l’existence de grandes quantités d’antimatière ailleurs dans l’Univers. À cette fin, AMS traquera les rayons cosmiques en provenance de l’espace avec une sensibilité sans précédent ». Comment identifier une particule ? Les interactions particules – matière Cas des neutrinos Cas des électrons et muons Cas des photons Cas des hadrons Les différents types de détecteurs Détecteurs à ionisation Détecteurs à scintillation Détecteurs à semi-conducteurs Détecteurs à effet Tcherenkov Le détecteur CMS du LHC Le détecteur AMS de la station ILS Le détecteur Antarès

24 TRD TOF RICH ECAL Z, P Z, E E de e+, e-, γ
Les particules sont définies par leur charge (Z) et leur masse (E et P) TOF Z, E 1 TRD Magnet ±Z Silicon Tracker Z, P TOF 2 3-4 5-6 7-8 Tracker TOF RICH Z, E RICH ECAL E de e+, e-, γ 9 ECAL Z, P mesurés indépendamment dans les Tracker, RICH, TOF et ECAL 24 24 24

25 Antarès : détecteur de neutrinos
situé au sud de l'île de Porquerolles (Var) neutrinos difficilement détectables produisent des muons par interaction avec la matière L es fonds marins offrent de grandes masses d'eau et un blindage naturel constituent un environnement idéal pour la détection des neutrinos possible de déceler grâce aux sillages lumineux qu'ils engendrent en se propageant dans l'eau. (Effet Cherenkov) Comment identifier une particule ? Les interactions particules – matière Cas des neutrinos Cas des électrons et muons Cas des photons Cas des hadrons Les différents types de détecteurs Détecteurs à ionisation Détecteurs à scintillation Détecteurs à semi-conducteurs Détecteurs à effet Tcherenkov Le détecteur CMS du LHC Le détecteur AMS de la station ILS Le détecteur Antarès sélectionne les muons venant du fond de la mer, certifiant ainsi qu'ils proviennent de l'interaction de neutrinos en provenance de l'hémisphère Sud avec la roche située sous le détecteur. Antares pour réaliser la cartographie du ciel de l'hémisphère Sud en « regardant » à travers la terre.

26 Pourquoi les neutrinos ?
Leur détection devrait permettre d'accéder aux sources les plus lointaines et les plus violentes de l'Univers, véritables accélérateurs cosmiques de très haute énergie, tels les pulsars, les restes de supernovae, les noyaux actifs de galaxies, les sursauts gamma, les trous noirs ou les quasars, et d'ouvrir ainsi une nouvelle fenêtre astronomique sur l'Univers et son évolution depuis le Big Bang. contribuer à la recherche de matière noire dans notre Univers, par la détection indirecte de neutralinos. Ces particules hypothétiques, attendues dans les théories supersymétriques, sont d'excellents candidats à la matière noire car elles interagissent très peu et s'accumuleraient par gravitation au centre des corps célestes massifs, tels que la Terre, le Soleil ou le centre de notre galaxie. En s'annihilant, ils produiraient des neutrinos détectables par Antares. Comment identifier une particule ? Les interactions particules – matière Cas des neutrinos Cas des électrons et muons Cas des photons Cas des hadrons Les différents types de détecteurs Détecteurs à ionisation Détecteurs à scintillation Détecteurs à semi-conducteurs Détecteurs à effet Tcherenkov Le détecteur CMS du LHC Le détecteur AMS de la station ILS Le détecteur Antarès

27 Le détecteur est constitué d'un réseau d'environ 1000 photomultiplicateurs sensibles à la lumière Tchérenkov. Ils sont répartis sur 12 lignes de détection de 350 m de hauteur, espacées d'environ 70 mètres, installées sur une surface d'environ 0.1 km2 à 2500 mètres de profondeur. L'image ci-dessous présente une vue d'artiste du détecteur. L'unité de base du détecteur est le module optique constitué d'un photomultiplicateur (Hamamatsu 10"), de différents appareillages sensibles et de l'électronique associée, tous ces éléments étant installés dans des sphères de verre résistant à la pression (250 bars). FIN