Introduction ( très rapide) aux techniques de détection en physique des particules

différentes (gerbe cosmique) Très grand nombre de particules différentes (gerbe cosmique) e- (q ≠ 0), a (q ≠ 0), p (q ≠ 0), n (q = 0), m (q ≠ 0), n (q = 0), p± (q ≠ 0), . . . Même si q = 0 les particules sont toujours (presque) détectées par la présence d’une charge électrique (directe ou indirecte) associée.

Excitation et Ionisation des particules chargées Charged Particle Free Electron Electric Field Ion Ionization Le passage d’une particule chargée près d’un atome ionise celui-ci ou produit une excitation qui est suivie par une émission Electromagnétique

Une particule chargée lourde cède une fraction de son énergie aux électrons du milieu de façon continue. Interaction a courte distance Interaction a longue distance

Bethe Bloch b = v/c Bethe – Bloch Formula

in drift chamber gas Séparation Pas de séparation e Minimum d’ionisation ~ 2MeV cm2/g

Rayonnement électromagnétique par des particules chargées Rayonnement primaire -> cohérent -> non isotrope Bremsstrahlung ou Cyclotron (freinage -> accélération ) Rayons X Anode e-

Perte d’énergie des électrons

Rayonnement Cerenkov : émission du milieu Particule chargée

Vparticule > Vlumière dans milieu Front d’onde (Interférence constructive) Particule chargée Milieu transparent 1 2 3 4 Vparticule > Vlumière dans milieu

A n = c vL c n t  bct O P particle trajectory b = vP c

Dans l’eau pour des particules relativistes Q ~ 42o Nombre de g / cm est environ N = 490 sin2 θ ~ 200 g / cm dans l’H2O (dans le visible : 400 < λ < 700 nm)

Effet Cerenkov produit par les électrons b dans une centrale nucléaire

Rayonnement secondaire : Scintillation -> Rayonnement décalé dans le temps -> Non cohérent et isotrope Utilisés au début du siècle dans les expériences de diffusion de particules (écran de ZnS par Crookes en 1903 et Geiger Marsden ) Couplé à un photomultiplicateur à partir de 1944.

Interaction du rayonnement électromagnétique Effet photoélectrique Ephotoelec = Eg – E couche atom Section efficace (probabilité) ~ Z5

Interaction du rayonnement électromagnétique Effet Compton : g -> g + e- Diffusion des g sur des électrons quasi stationnaires

Interaction du rayonnement électromagnétique Création des paires (E = m c2) Eg > 2 x me ( 1.022 MeV)

Détecteurs à gaz

A proximité de l’anode le champ peut atteindre 104 − 105 V/cm. C’est cet endroit que la multiplication des ´électrons a lieu. Le facteur de multiplication peut atteindre 106

Modes de fonctionnement d’un détecteur à gaz

MWPC => G. Charpak

Détecteurs à scintillation

Mécanisme scintillation. Scintillateur non organique • Une radiation incidente provoque la création d’une paire électron-trou (trou dans la bande de valence et l’électron dans la bande de conduction). • Le trou se propage dans la bande de valence jusqu’à ce qu’il ionise une impureté. • L’électron se propage dans la bande de conduction jusqu’à être capté sur un niveau excité d’une impureté ionisée. • Une transition radiative se produit Lorsque l’impureté se désexcite.

Spectre d’émission des scintillateurs non organiques Alcalins NaI(Tl) : 25 eV/photon •CsI(Tl) •CsF2 •CsI(Na) •KI(Tl) •LiI(Eu) Non alcalins BGO (Bi4Ge3O12) : 300 eV/photon • BaF2 • ZnS(Ag) • Zn0(Ga) • CaWO4 • CdWO4• t~500 ns •Bon rendement •Grand Z , grande densité => meilleure absorption

Mécanisme scintillation. Scintillateur non organique < 10 ps ns Etat vibrationnel L’état fondamental est un état Singulet S0 L’excitation peut porter l’électron dans un état Singulet ou Triplet excité. Les états Singulets se désexcitent rapidement par dégradation interne puis par fluorescence en 10-8 s Les états Triplets se désexcitent par collision moléculaires en états Singulet excité puis par phosphorescence (ms)

Wave length shifter

Dectection de la lumière de scintillation Le Photomultiplicateur

Photomultiplicateur

e- g Effet Photoelectrique

e- g e- n e- Effet Photoelectrique

Efficite Quantique de la photocathode: 10 – 30 % Nombre d’électrons produits Nombre de photon incidents Efficite Quantique de la photocathode: 10 – 30 % Amplification: jusqu'a 107 Nombre d’ e- sortant a l’anode pour un e- entrant a la première dynode

Application à la Roue Cosmique

Photomultiplicateur Scintillateur plastique

0.8 V ~ 30 ns Discriminateur

Principe de coïncidence 50 ns Distribution angulaire

Sens des muons Faible comptage Comptage PM muon muon Barre plexiglass Lumière Cherenkov Faible comptage PM Barre plexiglass ou tube PVC + eau Comptage

Vie moyenne du muon m- ----> e- + ne + nm ms e- m Scintillateur PM tm = 2.24 ms ms

m PM Scintillateur/eau m ~ 10ms

m PM Scintillateur/eau m ~ 10ms mstop mstop e- e- Dt