Ce cours vous introduit à la physique subatomique, c'est à dire à la physique du noyau et à celle des particules élémentaires. Plus spécifiquement les questions adressées sont les suivantes : - Quels sont les concepts de la physique des particules et comment sont-ils implémentés? - Quelles sont les propriétés du noyau atomique et comment peut on les utiliser? - Comment accélérer et détecter des particules et mesurer leurs propriétés? - Qu’est-ce qu’on apprend à partir des réactions de particules à haute énergie et leurs désintégrations? - Comment fonctionnent les interactions électromagnétiques et comment peut-on les mettre à contribution? - Comment fonctionnent les interactions fortes et pourquoi sont-elles difficiles à comprendre? - Comment fonctionnent les interactions faibles et pourquoi sont-elles spéciales? - Quelle est la masse des objets au niveau subatomique, et comment y intervient le Higgs? - Que peut-on apprendre de la physique des particules concernant l’astrophysique et l’Univers tout entier? Le cours est structuré en sept modules. Suivant le premier module qui introduit notre sujet, les modules 2 (Physique nucléaire) et 3 (Accélérateurs et détecteurs) dépendent peu du reste du cours et peuvent être étudiés séparément. Les modules 4 à 7 approfondissent les notions de la matière et des forces élémentaires.
3.10 Spectromètres et calorimètres
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En provenance du cours de University of Geneva
Physique des particules - une introduction
54 notes
À partir de la leçon
Accélérateurs et détecteurs
Dans ce module, on va toucher les bases de la physique des accélérateurs et des méthodes de détection pour les particules. On passera en revue les principes de l'accélération et focalisation de particules chargées par les champs électromagnétiques. On verra comment ces principes sont appliqués dans les accélérateurs et anneau de stockage modernes. Vous serez introduit aux processus physiques qui permettent de détecter les différents types de particules et comment ils sont utilisé dans des détecteurs modernes.
Rencontrer les enseignants
Martin PohlProfesseur ordinaire
Département de physique nucléaire et corpusculaire
Mercedes PanicciaCollaboratrice scientifique
Département de Physique Nucléaire et Corpusculaire
[MUSIQUE] [MUSIQUE] Pour ce troisième module du cours,
on est en train de passer en revue les méthodes d'accélération
et de détection des particules, et dans cette vidéo-ci, on va conclure cette
discussion en montrant comment, on combine les différents détecteurs pour
former ce qu'on appelle un spectromètre magnétique, ou un calorimètre.
À la fin de cette vidéo, vous saurez décrire comment un spectromètre mesure la
direction et l'impulsion d'une particule chargée d'une manière non destructive, et
comment un calorimètre fait la même chose en absorbant totalement la particule.
Vous serez aussi en mesure d'identifier les points forts de ces deux méthodes
de base, et apprécier leur synergie.
Voici le fonctionnement principal d'un spectromètre magnétique.
Vous faites entrer la particule dans une zone où règne
un champ magnétique plus ou moins orthogonal à la direction de la particule,
qui va donc dévier la particule, autour de sa direction,
dans un cercle, dans le plan orthogonal à la direction du champ magnétique,
et dans une ligne droite le long du champ magnétique.
La particule va donc former une spirale
autour de la direction du champ magnétique.
Le rayon de courbure de cette spirale
est proportionnel à ce que l'on appelle la rigidité magnétique de la particule,
qui est le rapport entre son impulsion et sa charge électrique.
Pour mesurer la trajectoire, vous pouvez utiliser un détecteur à ionisation,
soit une chambre à fils remplie de gaz,
soit des couches de détecteurs semi-conducteurs.
Le premier type est montré par cette image-là,
il s'agit de la chambre à dérive de l'expérience L3
au LEP du CERN, ainsi qu'un, qu'une image d'une réaction
à annulation électro-positron, à droite.
La réaction a lieu au centre de l'image,
et vous voyez les traces des particules chargées qui émergent de ce point-là,
elles sont reconstruites en courbes jaunes,
par les points mesurés qui sont les symboles verts,
dans cette image-là.
Voici un exemple d'un détecteur en couches de silicium,
c'est-à-dire en couche de semi-conducteurs.
Il s'agit de celui de l'expérience Atlas, vous voyez une photo des détecteurs
des différentes couches, à gauche, et une image reconstruite à droite.
Encore une fois, les interactions entre protons ont lieu au milieu de l'image,
et vous voyez les traces des particules chargées qui émergent de ce point-là.
Les particules sont localisées par les détecteurs
en silicium, et leur trace est reconstruite comme un cercle,
autour de la direction du champ magnétique qui est, encore une fois, orthogonal au
plan de l'image.
Le but d'un calorimètre est de détecter et mesurer l'énergie et la direction des
particules, en les absorbant.
La particule incidente initie une gerbe de particules dans le détecteur.
S'il s'agit d'un électron ou d'un photon, il s'agira d'une gerbe électromagnétique,
s'il s'agit d'un hadron, il s'agira d'une gerbe hadronique.
Les longueurs caractéristiques de ces deux gerbes sont déterminées par
la longueur des radiations, x zéro, à droite dans ce tableau,
et les caractéristiques géométriques d'une gerbe hadronique
sont déterminées par la longueur d'interaction hadronique,
à gauche dans ce tableau, pour les différents matériaux que l'on utilise.
L'énergie est déposée sous forme de chaleur,
c'est-à-dire perdue, ou par ionisation et excitation,
d E par d x, ou par scintillation ou radiation de Cherenkov.
Le signal obtenu est proportionnel à l'énergie totale déposée par
les particules de la gerbe, dans le milieu actif du détecteur.
Il y a deux types de calorimètres principaux.
Il y a des calorimètres homogènes, qui sont construits par un seul matériel
qui engendre la gerbe et qui détecte les particules,
ou bien des calorimètres en couches, où différents matériaux sont utilisés
pour engendrer l'interaction et la détection des particules, comme
montré dans la partie, à droite, inférieure, de cette image.
Dans un calorimètre en couches,
on alterne donc des couches de détection et d'absorption.
Les couches d'absorption sont formées par des matériaux lourds, du cuivre,
du plomb, même de l'uranium déplété,
avec des courtes longueurs de radiations et d'interaction,
qui font interagir les particules et engendrent la formation de la gerbe.
En alternance avec cela, il y a des couches sensibles aux particules chargées
qui mesurent leur perte en énergie, d E par d x, ceci peut-être un gaz,
un liquide noble, un semi-conducteur, ou un scintillateur, un plastique.
Vous voyez ici le calorimètre électromagnétique d'Atlas,
qui contient des couches absorbantes de plomb et d'acier,
alternant avec des couches sensibles, remplies d'argon liquide.
Le tout a une forme qui ressemble à un accordéon c'est pour cela que l'on appelle
ça, le calorimètre accordéon d'Atlas.
Dans un calorimètre homogène, les deux fonctions sont réunies.
Le même matériau sert d'absorbeur et de détecteur de l'énergie déposée.
Les scintillateurs construits de matériaux lourds peuvent servir,
comme le germanate de bismuth, que vous voyez ici, un échantillon,
ou le volframate de plomb, qui est utilisé par l'expérience
CMS au LHC du Cern dont vous voyez des images ici ; à
cause de la courte longueur des radiations et de la transparence des matériaux,
ils sont souvent utilisés pour détecter des gerbes électromagnétiques.
La lumière de scintillation, émise par les électrons de la gerbe,
sont ensuite détectés par des photomultiplicateurs,
à la fin du cristal, soit par des photodiodes semi-conductrices,
comme vous voyez dans cette image-là.
Les calorimètres sont aussi une des principales
applications des scintillateurs plastiques.
Le grand calorimètre pour gerbes hadroniques,
de l'expérience Atlas, utilise des tuiles de scintillateurs,
insérées entre des absorbeurs en acier, pour mesurer l'énergie des hadrons.
Leurs gerbes se développent grâce aux couches métalliques,
la lumière de scintillation générée dans les couches sensibles est collectionnée
par des fibres optiques, et guidée vers des photodétecteurs.
De cette manière, une image tridimensionnelle de la gerbe
est mesurée qui permet de reconstruire direction et énergie, des hadrons.
Mais aussi l'effet
Cherenkov
permet de construire des détecteurs complets.
Voici l'image du détecteur Super Kamiokande, au Japon, qui consiste en un
gigantesque tank d'eau ultrapure, qui contient 50 000 tonnes d'eau.
Quand une particule chargée traverse l'eau,
avec une vitesse au-delà de la vitesse de la lumière dans ce milieu,
c'est-à-dire à peu près 75 % de la vitesse de la lumière dans le vide,
elle va causer l'émission de lumière Cherenkov,
comme Mercedes vous a expliqué dans la précédente vidéo.
Un cône de cette lumière va donc être émis, qui est intercepté par
les photomultiplicateurs qui sont disposés sur les parois du tank.
Quand ce cône est intercepté, il y a une ellipse de lumière qui est détectée,
que vous voyez à droite de ce, de cette image,
et le temps d'arrivée des photons et le rayon
de cette ellipse, les rayons de cette ellipse,
vous permettent de reconstruire la direction et
la vitesse de la particule qui a été observée.
[AUDIO_VIDE] Une segmentation
latérale et en profondeur d'un calorimètre permet une
séparation entre les hadrons et les particules qui n'interagissent qu'avec la
force électromagnétique, c'est-à-dire les photons, les électrons et les positrons.
Vous voyez là deux simulations d'une gerbe électromagnétique
à gauche et hadronique à droite, qui correspondent à la même énergie incidente.
En règle générale, les gerbes électromagnétiques sont peu pénétrantes,
relativement minces et régulières à cause de la large population
par des particules légères qui sont les électrons, les positrons et les photons.
Les gerbes hadroniques par contre sont plus pénétrants,
larges et irrégulières à cause de leur relativement faible population qui
est elle-même due à la large masse des hadrons.
À cause des différentes caractéristiques des gerbes électromagnétiques et
hadroniques, on implémente, en règle générale, deux différentes
calorimètres, un pour les gerbes électromagnétiques à granularité plus
fine et à densité plus large, et un calorimètre dit hadronique
pour voir les gerbes hadroniques plus pénétrantes.
Mais c'est en effet plutôt la synergie entre les différents types de
détecteurs qui permet de complètement reconstruire l'état final d'une réaction.
Vous voyez, dans une vidéo séparée,
le 3.10 A, comment ceci est effectué pour l'expérience ATLAS au CERN.
Et dans ce graphisme-là, je vous explique le principe de cette synergie.
Vous voyez là six différentes particules qui pénètrent le détecteur ATLAS,
et commençant par l'union à gauche qui est une particule relativement lourde,
mais qui n'a que des interactions électromagnétiques et faibles.
C'est-à-dire qu'elle est très pénétrante et qu'elle peut voyager
tout à travers les matériaux du détecteur pour être détectée à l'extérieur.
Les électrons et photons, par contre, sont convertis et absorbés par le calorimètre
électromagnétique que vous voyez symbolisé en brun dans cette image, là.
L'électron laisse une trace dans le détecteur central,
le photon ne le fait pas.
Mais les deux causent une gerbe électromagnétique qui est complètement
contenue dans le compartiment électromagnétique du calorimètre.
Par contre, les hadrons sont plus pénétrants, commencent leur
gerbe plus tard et sont, pour la plupart, identifiés et mesurés
dans le compartiment hadronique du détecteur qui est montré en bleu.
Vous voyez là la détection d'un proton et d'un
neutron qui sont encore une fois distingués par présence ou absence
d'une trace de particule chargée dans le détecteur central.
Tout à droite, vous voyez une particule que l'on ne voit pas, c'est le neutrino
qui a une très très faible section efficace avec le matériel, la plus
faible qui existe, et qui peut facilement traverser la Terre sans interagir.
Elle va donc laisser aucune trace ni dans le détecteur central,
ni dans les calorimètres du détecteur.
Dans la prochaine vidéo,
on visitera les détecteurs installés au CERN ainsi que nos laboratoires
à l'Université de Genève où des nouveaux détecteurs sont développés et produits.
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