Détecter Quoi ? Pourquoi ? Ecole de Saint Pierre d’Oléron avril 2015

Introduction : physique générale La matière… c’est

….ou encore…

Principe d’étude 2 cas Objet stable Objet instable particules Il faut ״éclairer״ l’objet  diffusion Il faut ״perturber״ l’objet  retour à l’équilibre Objet instable On étudie sa désintégration 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 Dans tous les cas, il faut détecter: - soit la projectile diffusé - soit les émissions de retour à l’équilibre ou de désintégration particules

La méthodologie précédente est très générale

Quelles sont les particules (ou rayonnements) à détecter? Particules chargées ex: électrons, protons, noyaux Particules neutres ex: neutrons, neutrinos Cas particulier des photons (« grains » d’énergie électromagnétique) Ondes radio Infra rouges Visible Ultraviolet Rayons X Rayons γ (gamma) Particules ou noyaux instables ex: π+  μ+ + νμ π0  2 γ

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

Ordres de grandeur On exprime les énergies en … Les vitesses sont souvent grandes : v ~ c Energies cinétiques non relativistes : Ecin = ½ mv2 Les énergies cinétiques sont relativistes si Ecin > Emasse = m0c2 Exemples: Électron: Emasse = 0,511 MeV Proton: Emasse = 938 MeV Si Ecin non relativiste : mesure de Ecin et de v on déduit m eV keV MeV GeV TeV 103 106 109 1012

Quelques exemples LEP: LHC: GANIL: Projectile: électron; Ecin = 100 GeV = 100 000 MeV à comparer à Emasse = 0,511 MeV Projectile ultra-relativiste LHC: Projectile : proton; Ecin = 7 TeV = 7 000 GeV à comparer à Emasse = 0,938 GeV GANIL: Exemple de projectile : noyau de 40Ar; Ecin = 50 MeV/nuc = 40 . 50 = 2000 MeV à comparer à Emasse = 40 . 938 ≈ 40 000 MeV Projectile peu relativiste : v = 140 000km/s = 14 cm/ns Temps de vol : 7 ns sur 1 mètre. ● Dans (presque) tous les cas, les détecteurs doivent être rapides

Détecter = Interagir

Cas des particules chargées : trivial Cas des particules neutres : 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 d’un noyau (chargé) par collision ou par réaction Exemples : neutrons rapides : n + A  n + A efficacité meilleure si masseproj ≈ massenoyau (comme à la pétanque) n + p  n + p neutrinos : ν + p  e+ + n Cas des photons Mise en mouvement d’électrons 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+ + νμ ou π0  2 γ

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

Remarque essentielle L’ionisation 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 d’une particule α de 5 MeV : Gaz : n = 5.106 / 30 ~1,7 105 électrons ionisés Silicium : n = 5.106 / 3 ~1,7 106 électrons ionisés

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

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

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) Notion d’efficacité de détection Il est impossible de détecter toutes les particules non chargées qui atteignent un détecteur

Efficacité de détection Exemple des neutrons Exemple des photons Loi générale : Ce qui a interagi dans le détecteur: Efficacité de détection: L’efficacité de détection croit avec la taille du détecteur Elle est toujours faible pour les neutrinos: d’où la taille des détecteurs (Superkamiokande ou Antares ou Amanda) Ce qui a interagi : N0 - N Ce qui reste : N

Principe numéro 3 Les particules chargées ont aussi d’autres modes d’interaction quand elles sont relativistes Rayonnement de freinage Significatif seulement pour les électrons rapides (E>10MeV) Remarque: c’est l’origine du rayonnement synchrotron c’est la façon de créer des faisceaux intenses de photons Effet Cerenkov Vitesse de la lumière dans un milieu d’indice 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 3bis Une complication peut aussi venir des interactions de type nucléaire Elles sont d’autant moins rares que l’énergie cinétique est élevée Il faut alors tenir compte des rayonnements secondaires Exemple de la hadronthérapie (Asclépios) Les intéractions secondaires compliquent le problème

En résumé 8

Principe numéro 4 La matière ionisée est « mal dans sa peau ». Tentative de retour à l’équilibre 2 familles de détecteurs On empêche le retour à l’équilibre et on détecte les électrons : détecteurs d’ionisation On observe le retour à l’équilibre : scintillation 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

Résumé Principe n°1 Principe n°2 Principe n°3 Principe n°4 On ne détecte que les particules chargées. Si la particule initiale n’est 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 l’équilibre (recombinaison, scintillation) Conséquences Il y a deux sortes de détecteur : - détecteurs de l’ionisation - détecteurs de la scintillation Un contre-exemple : les bolomètres exemple : Edelweiss

Identifier Mesurer l’énergie Localiser

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

Variante de la méthode ΔE-E Lent Rap 6,7,8,9Li a 3He H e-, g 7,9,10Be B 12C ? 6He 8He 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 Cette méthode nouvelle est très générale et sera en particulier appliquée au silicium : projet FAZIA Elle implique un échantillonnage très rapide (GHz) Principe : La forme d’un signal dépend de la nature de la particule détectée. On étudie donc cette forme en reconstruisant le signal point par point. 12C 13C V(mV) time (ns)

Une loupe sur le traitement numérique du signal V 5 mV pour 10MeV et 100pF E Rc L’impulsion se construit pendant le mouvement des charges - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

Une loupe sur le traitement numérique du signal - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - --------------- +++++++++++++++ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Rc La forme de l’impulsion reflète le détail du dépôt d’énergie: en principe, elle permet donc d’identifier (formule de Bethe)

Résultats récents de Fazia Identification en Z jusqu’à Z=54 (Z,A) id. jusqu’à Z=15 avec un gain adapté avec UN détecteur par “Pulse Shape Analysis”

Résultats récents de Fazia

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

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

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

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

Mesure de la position Dans les gaz : - chambres à dérive ● valeurs typiques de vdrift : 6-10 cm/μs chambres à fils ou à pads TPC

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

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

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900211021516

Détermination du fil, du strip ou du pad 1) Électronique individuelle : si on est riche… sinon… Division résistive 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)

Conclusion On ne sait « voir » que les particules chargées Seuls les bolomètres (et encore..) peuvent voir la matière noire Les signaux recueillis sont soit l’ionisation soit la lumière de retour à l’équilibre On sait mesurer l’énergie, la position et les temps On sait identifier L’avenir passe par un rapprochement des techniques de la physique nucléaire et de la physique des particules et astroparticules L’avenir 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

Production de faisceaux de particules

Production de faisceaux de particules 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 d’énergie plus faible (domaine des X : keV) : rayonnement synchrotron : ESRF, Soleil Neutrons: flux intenses de neutrons d’énergie limitée (< MeV) : réacteurs Neutrons : faisceaux d’énergie définie produits par réaction (exemple : cassure du deuton : Spiral 2) Neutrinos : produits par les réacteurs (basse énergie) ou à partir de réactions induites par faisceaux de protons (Cern : expérience Opéra)

Production de faisceau de particules Les faisceaux chargés et « tordus » On ne sait les produire qu’à 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 LHC Ganil 2 éléments : la source l’accélérateur

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

Caractéristiques des faisceaux de particules 1) Leur énergie : Les grandes énergies ne seront possibles que par une succession d’accélérations eV keV MeV GeV TeV 103 106 109 1012 2) La résolution en énergie : - Ordres de grandeur 10-2 (1%) : médiocre 10-3 : bon 10-4 : excellent 3) Leur intensité : - Charge élémentaire : e = 1,6 . 10-19 C - 1 ampère (A) = 1 C/s = 6 . 1018 e/s Si on accélère des: Électrons : 1 A = 6 . 1018 électrons/seconde Protons : 1 A = 6 . 1018 protons/seconde Argon 15+: 1 A = 6 . 1018 /15 = 4.1017 argons/seconde Ces chiffres sont énormes: généralement les intensités des faisceaux s’expriment en nA ou en μA. Le milliampère est une intensité énorme. IPHI représente une limite avec une intensité de 100mA.

Relation importante Une variante de l’intensité : la luminosité Nb d’év./s Nb. At. cible/cm2 Flux (part./s) sect. effic. Une variante de l’intensité : 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 d’év. luminosité sect. effic. (cm2 ou barn = 10-24 cm2)

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

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 d’accélération et du fait que les particules soient ou ne soient pas relativistes

La façon la plus simple d’accélérer : le Van de Graaf Avantages E précis (ΔE/E ≈ 10-3) Inconvénient E limité (Vmax = 20 MV) Utile pour les noyaux La variante : le tandem Avantages On a gagné en énergie Inconvénient Il faut produire des ions négatifs Utile pour les noyaux Ex: le tandem d’Orsay

Le cyclotron Principe Accélérations successives Avantages utilisation d’une tension alternative Avantages possibilité d’énergies plus élevées Inconvénients résolution ΔE/E médiocre (1%) taille pour énergies élevées limitation aux énergies relativistes Application principale faisceaux d’ions lourds (Ganil) Améliorations machines supra (taille : MSU, T&M) augmentation de l’état de charge

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 d’acier Exemple : Le SC médical d’Orsay; les projets de hadronthérapie (Etoile et Asclépios) devient faux pour les énergies relativistes

Le synchrotron Objectif : Les moyens pour y parvenir Remarque : 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)

Le synchrotron Quelques exemples

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 l’ordre du micron) Exemples ALTO, (LAL), SLAC, ILC, CLIC

Les sources des accélérateurs Electrons : Filament chauffé (cf anciens tubes télé) Protons et noyaux : Nécessité de former un plasma Source PIG Courant d’électrons 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

La production de faisceaux radioactifs Principe : Accélération d’un faisceau stable Réaction de production Reprise des faisceaux Sans accélération Avec accélération L’existant en France : Sissi Spiral1 L’avenir : Monter les intensités Produire des faisceaux de plus en plus lourds Projets : Spiral2 Eurisol : horizon 2025 Fair (Darmstadt) , RIA (Oak Ridge), Riken

Conclusion Les accélérateurs du futur obéissent à 3 objectifs : très hautes énergies d’électrons (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,…