La Physique des détecteurs

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Accélérateurs et détecteurs de particules
Masterclass de Clermont-Ferrand
Mars 2012
I - LES ACCÉLÉRATEURS
• But: provoquer des collisions de particules (électrons,
protons, …)
• Durant cette collision, l'énergie cinétique des particules
est convertie en matière
•Création de nouvelles
particules
•explorer les forces et les
particules
fondamentales de la
nature
Physique des particules
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I - LES ACCÉLÉRATEURS
La Physique des accélérateurs
F  qE  qv  B
Les équations de Maxwell sont relativistes; par conséquent
, ce que nous écrirons classiquement vaudra pour des
objets relativistes.
LES CHAMPS ELECTRIQUES ACCELERENT LES PARTICULES.
LES CHAMPS MAGNETIQUES PERMETTENT DE CONTROLER LES TRAJECTOIRES.
Physique des particules
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I - LES ACCÉLÉRATEURS
Les accélérateurs linéaires
Dans un tube cylindrique sous vide sont alignées des séries d’électrodes. Leur polarité
électrique est alternée en les connectant à une source de radiofréquences.
Les particules chargées sont accélérées pendant leur passage entre deux électrodes (DE
=qV) et la radiofréquence alterne la polarité de l’électrode suivante pour qu’à sa sortie du
premier intervalle d’accélération la particule soit soumise à une différence de potentiel
identique (minimisation de la longueur d’accélération).
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I - LES ACCÉLÉRATEURS
Les accélérateurs linéaires
Lorsque l’on a affaire à une particule légère, elle atteint rapidement une vitesse proche de
la vitesse de la lumière. Elle peut dès lors être accélérée par une onde électromagnétique
produite dans une cavité résonante (PROPAGATION EN PHASE AVEC L’ONDE).
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I - LES ACCÉLÉRATEURS
Les accélérateurs linéaires
Le plus grand accélérateur linéaire était à Stanford et a servi d’injecteur au SLC.
Sa longueur est de 3km et l’énergie atteinte par les électrons est 20 GeV.
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I - LES ACCÉLÉRATEURS
Les accélérateurs circulaires : le synchrotron
Si l’on ne peut jouer sur l’ajustement du champ électrique, pourquoi ne pas
travailler sur le contrôle de la trajectoire, c’est-à-dire sur l’ajustement du champ
magnétique.
L’idée consiste donc à ajuster la trajectoire pendant l’accélération pour la
maintenir sur une trajectoire circulaire (rayon de courbure constant).
L’accélérateur est donc constitué d’une série
d’aimants dipolaires (maintiennent la
trajectoire
circulaire)
et
d’aimants
quadripolaire (assurent la focalisation du
faisceau), intercalés avec des systèmes
d’accélération radiofréquence. Des espaces
sont réservés aux zones d’interaction.
Q
D
IP
RF
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I - LES ACCÉLÉRATEURS
Les accélérateurs circulaires : Contrôle de la trajectoire
• Des aimants permettent
de courber la trajectoire
des particules
• Il faut aussi contrôler la
taille du faisceau de
particules: focalisation à
l’aide de quadrupoles
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I - LES ACCÉLÉRATEURS
Le Large Hadron Collider
Un tunnel circulaire de
27 km
de circonférence
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I - LES ACCÉLÉRATEURS
Le Large Hadron Collider: Gran Collisionneur de Hadron
Un gigantesque instrument
• long de 27 km
• refroidit à 1,9 Kelvin
• un vide de 10-13 atmosphère
Dans lequel des protons ou des
ions de plomb sont accélérés
presque à la vitesse de la lumière
avant d’entrer en collision
frontale !
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II- LES DÉTECTEURS
Les détecteurs de la physique subatomique
Ils servent à identifier et mesurer les caractéristiques des particules mises en jeu dans une
réaction d’accélérateurs ou de particules d’origine cosmique. Ses fonctions principales sont :
Déterminer la trajectoire
des particules
Déterminer leur charge
électrique et leur impulsion
Identifier la nature des
particules
Mesurer l’énergie des
particules neutres
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II- LES DÉTECTEURS
La Physique des détecteurs : L’IONISATION
Physique des particules
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II- LES DÉTECTEURS
DETECTEUR A SEMI-CONDUCTEURS: LE VDET D’ALEPH
Physique des particules
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II- LES DÉTECTEURS
TRAJECTOGRAPHE ET IMPULSION: LA TPC D’ALEPH
GEOMETRIE ET PRINCIPE
Une particule traverse la chambre gazeuse en
l’ionisant.
Les électrons d’ionisation sont guidés vers les
extrémités par un champ électrique
La charge est collectée par des fils (chambre à fil)
et lue simultanément par effet capacitif sur des
cellules (les pads)
La charge est mesurée. La
segmentation du plan de pad
permet de calculer le dE/dx et
donc d’identifier les particules.
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II- LES DÉTECTEURS
TRAJECTOGRAPHE ET IMPULSION: MESURE DE L’IMPULSION
MESURER L’IMPULSION, C’EST MESURER LE RAYON DE COURBURE.
LA TRAJECTOIRE GENERALE EST UNE HELICE.
L2 s
 
8s 2
mv

qB
Un peu de géométrie élémentaire: la corde et la flèche.
2
L
Si s L, p c  300B
8s
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II- LES DÉTECTEURS
La Physique des détecteurs
3) RAYONNEMENT DE FREINAGE
g
e
g
e
Noyau
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II- LES DÉTECTEURS
LA PHYSIQUE DE LA CALORIMETRIE EM
Les calorimètres sont des mesureurs d’énergie par destruction : toute l’énergie de la
particule est dégradée dans le volume de détection.
Le nombre de particules dans la cascade (ou gerbe) est proportionnel à l’énergie de la
particule incidente.
Les électrons commencent par perdre leur
énergie par rayonnement de freinage.
Les photons perdent leur énergie par création
de paires, diffusion Compton et effet
photoélectrique.
Les positrons s’annihilent avec les électrons du
milieu pour produire des photons.
 Ci-contre un électron de 20 GeV dans du fer.
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II- LES DÉTECTEURS
La Physique des détecteurs
5) EFFET CERENKOV
Quand une particule chargée traverse un milieu dispersif d’indice de
réfraction n (clum=c/n) à une vitesse supérieure à celle de la lumière
dans ce milieu, ELLE EMET UN CONE DE LUMIERE BLEUE. C’est
l’analogue du mur du son.
Le demi-angle au sommet du cône est donné par
1 gm
cos 

n pn
CONNAISSANT P ON PEUT DETERMINER LA MASSE DE LA
PARTICULE ET DONC IDENTIFIER SA NATURE.
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II- LES DÉTECTEURS
La Physique des détecteurs
5) EFFET CERENKOV : le DIRC de BaBar
Physique des particules
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II- LES DÉTECTEURS
POUR LIRE LA LUMIERE
LE PHOTOMULTIPLICATEUR
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II- LES DÉTECTEURS
Physique des particules
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II- LES DÉTECTEURS
LES MUONS
• Les muons sont des particules
chargées, on les voit dans le
détecteur de traces, mais ils ne
s’arrêtent
pas
dans
les
calorimètres.
• Les chambres à muons sont
placées « après tout le reste » il y
a donc une grande quantité de
matière en amont. Les particules
autres que les muons (et les
neutrinos) ne les atteignent pas.
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II- LES DÉTECTEURS
RÉSUMÉ
Physique des particules
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II- LES DÉTECTEURS
Backup
Physique des particules
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II- LES DÉTECTEURS
L’interaction de base est cette fois l’excitation atomique ou moléculaire; le
retour à la stabilité s’opère par émission de lumière (c’est la fluorescence). Le
passage d’une particule est synonyme de production de lumière détectable.
BANDE DE CONDUCTION
ETATS D’ENERGIE
AVEC DOPANT
ELECTRON
D’EXCITATION
PHOTON
TROU
BANDE DE VALENCE
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II- LES DÉTECTEURS
Physique des particules
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II- LES DÉTECTEURS
ébullition: il y a des centres de nucléation (les ions créés par agitation
thermique, des poussières et des défauts/irrégularités de surface du contenant).
Quand une particule chargée traverse un liquide, elle l’ionise. Des bulles
DOIVENT donc se former le long de la trajectoire !
PRINCIPE :
•hydrogène liquide à une température supérieure à la température d’ébullition
sous une pression de 10 atmosphères ajustable : pas d’ébullition.
•Après le passage d’une particule chargée (déclenché par un scintillateur par
exemple), la pression est diminuée autorisant le développement des bulles le
long de la trajectoire.
•Au bout de quelques ms, les traces des particules peuvent être photographiées
en stéréo par plusieurs appareils. UN TRACKER 3D MAGNIFIQUE ! La
pression est remontée pour éviter l’ébullition.
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I - LES ACCÉLÉRATEURS
Les accélérateurs circulaires
Le premier d’entre eux est le cyclotron imaginé par Lawrence dans les années
1930.
B
Pour un champ magnétique B uniforme et
constant orthogonal à la vitesse des particules,
la trajectoire est circulaire (de rayon de courbure
) et demeure dans le plan de la figure.
E
d
Dee
mv

qB
; 
qV
Dp  qEDt 
v
dp d(B p)
B

 B (qv  B)  0
dt
dt
On accélère la particule au passage d’un Dee à l’autre, il
qB
faut donc inverser la polarité avec une tension haute
fréquence.
m
Néanmoins, ce type de machine est limité par la taille des
électro-aimants et des Dees: les énergies maximales que l’on
peut atteindre sont de l’ordre du GeV.
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II- LES DÉTECTEURS
DETECTEUR A SEMI-CONDUCTEURS: LE VDET D’ALEPH
Une chambre d’ionisation à semi-conducteur est
formée par une jonction p-n alimentée en inverse
à laquelle on applique une tension suffisamment
grande pour avoir une déplétion complète du
volume de détecteur. Dans l’échelle de gauche, il y
a des séparateurs isolants fins (SiO2) qui rendent
les damiers indépendants.
Le passage d’une particule crée de l’ordre de
20000 paires électrons-trous, dont la dérive
donne un signal mesurable.
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