3.4 Particules lourdes dans la matière

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En provenance du cours de University of Geneva

Physique des particules - une introduction

53 notes

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University of Geneva

Physique des particules - une introduction

53 notes

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.

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.

3.4 Particules lourdes dans la matière8:22

Rencontrer les enseignants

Martin Pohl
Professeur ordinaire
Département de physique nucléaire et corpusculaire
Mercedes Paniccia
Collaboratrice scientifique
Département de Physique Nucléaire et Corpusculaire

[MUSIQUE]

Dans ce module, on a touché les bases de la physique des accélérateurs et

on passe maintenant à revoir un peu les méthodes de détection des particules.

Dans cette vidéo on verra comment les particules chargées lourdes

interagissent avec la matière.

Ces interactions sont les mécanismes à travers lesquels on les détecte.

À la fin de cette vidéo,

vous connaîtrez la perte de l'énergie par ionisation et excitation pour des

particules lourdes chargées et la distribution de l'énergie déposée et

la diffusion de la direction de la particule après une tranche de matériau.

Pour détecter des particules, il faut les faire interagir avec la matière,

c'est évident.

A l'exception des neutrinos, toutes particules

interagissent d'une manière ou d'une autre avec la force électromagnétique.

Les hadrons mêmes neutres interagissent évidemment aussi avec la force forte.

L'interaction électromagnétique a donc un rôle prédominent

parmi les mécanismes d'interaction et détection de particules.

Ces différents types sont énumérés ici, vous voyez,

les interactions entre particules chargées et les électrons atomiques, entre les

particules chargées et les noyaux, entre les photons et les électrons atomiques

et les noyaux ainsi que la radiation cohérente des particules chargées.

Ces différents types vont

être traités dans cette vidéo-ci et dans celle qui suit.

Quand une particule chargée traverse une épaisseur dx de matière,

elle interagit avec les atomes en les ionisant ou en les excitant.

Par cela, la particule perd une partie dE de son énergie.

La perte en énergie par unité de longueur, dE par dx

joue un rôle central dans la détection des particules chargées stables.

Elle dépend à la fois des propriétés de la particule comme sa charge petit z

et sa vitesse bêta et des propriétés du matériau transversé comme la densité

volumique d'électrons proportionnelle à sa charge atomique et sa constante

d'ionisation qui décrit la facilité avec laquelle on peut ioniser un atome.

La dépendance est décrite par la formule de Bethe-Bloch que vous voyez ici

dans ce slide.

On peut réunir une grande partie des constantes dans une seule car qui

est extraite de la formule ici.

Ainsi on voit qu'à basse vitesse, dE dx est proportionnelle à la charge au carré

de la particule et inversement proportionnelle au carré de sa vitesse.

La perte en énergie passe par un minimum peu profond

qui se trouve à peu près à la même vitesse pour toutes les particules.

Les particules se trouvant dans ce minimum sont appelées

des particules minimum ionisantes.

À cause de la forte dépendance au carré de la charge,

en mesurant dE par dx, on peut identifier la charge de la particule incidente.

Au-delà du minimum de l'ionisation, la perte en énergie dE

par dx augmente légèrement avec le terme logarithmique qui est montré en rouge.

[AUDIO_VIDE] Voici le sommaire de dE par dx,

la perte en énergie par unité de longueur dans des matériaux gazeux,

liquides et métalliques typiques présentés par le particule data group.

Le minimum des comptes se trouve à peu près au même endroit pour tous les

matériaux traversés.

On peut s'étonner que les courbes pour les solides se trouvent au-dessous

de ceux pour les gaz.

Mais il ne faut pas oublier que la perte en énergie

est donnée ici relativement à l'unité de densité surfacique.

Pour trouver dE par dx,

en unité de longueur pénétrée, il faut multiplier par la densité volumique qui

est évidemment 150 fois plus grande pour le plomb que pour l'hydrogène par exemple.

L'échelle de vitesse est aussi convertie en bas en impulsions pour les muons,

les pions chargés et les protons pour simplifier l'utilisation de ce tableau.

Il est clair que la perte d'énergie par ionisation et excitation est un processus

statistique qui n'a pas toujours le même résultat.

Par conséquent, le dE dans une épaisseur de matériau dx donnée

suit une distribution et non pas n'a pas une valeur fixe.

Cette distribution est appelée la distribution de Landau.

Il s'agit d'une distribution asymétrique montrée ici autour de la valeur la plus

probable qui est caractérisée aussi par un paramètre de largeur.

La croissance de dE par dx avec la vitesse diminuante,

fait que les particules perdent de plus en plus d'énergie en pénétrant le matériau.

La plus grande perte se trouve en effet directement avant que la particule soit

complètement arrêtée.

Ceci s'appelle le pic de Brague.

Cet effet peut être mis au profit dans des applications médicales.

Quand on irradie du tissu par des particules chargées,

on peut ajuster leur impulsion initiale et leur pénétration telles que la plupart

de leur énergie est déposée là où se trouve une tumeur cancéreuse par exemple,

en épargnant au maximum le tissu sain autour.

La diffusion multiple avec les électrons des atomes fait aussi dévier la particule

incidente de sa direction initiale et déplace sa trajectoire.

La distribution de la déviation angulaire suit une gaussienne autour de zéro

avec une largeur qui dépend des propriétés de la particule.

Les propriétés du matériau peuvent être réunies dans

ce que l'on appelle la longueur de radiation X0

que l'on va introduire un peu plus tard dans ce module.

Les hadrons font évidemment aussi partie des particules lourdes.

En plus des interactions électromagnétiques, ils peuvent interagir

avec la matière via les interactions fortes avec les noyaux du matériau.

La diffusion élastique leur fait perdre de l'énergie dans une moindre mesure

parce que les noyaux sont typiquement lourds et ne prennent que peu de recul.

Par contre, les interactions inélastiques produisent à haute énergie

des particules additionnelles comme dans cette simulation.

Ceux-ci déposent de l'énergie via

dE par dx mais peuvent aussi à leur tour produire des particules additionnelles

à une énergie suffisante, typiquement quelques gigaélectrons-volts.

Ceci va engendrer une cascade de particules

que l'on appelle une gerbe hadronique.

Vous voyez dans cette image une simulation d'un tel processus.

La longueur caractéristique de ces processus est la longueur

nucléaire de collision applicable aux interactions élastiques et la longueur

d'interactions nucléaires applicables aux interactions inélastiques.

Les deux peuvent être trouvées dans les tableaux du particule data group.

Elles sont typiquement beaucoup plus grandes que les longueurs de radiation.

Dans la prochaine vidéo, on parlera des spécificités des particules légères et

en particules de la radiation de freinage.

[MUSIQUE]

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