3.5 Particules légères dans la matière

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En provenance du cours de University of Geneva

Physique des particules - une introduction

51 notes

University of Geneva

Physique des particules - une introduction

51 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.

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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 illustré les bases de la physique des accélérateurs, et maintenant

on est en train de passer en revue les méthodes de détections des particules.

Dans cette vidéo,

on va voir comme les particules légères interagissent avec la matière, et ces

interactions sont à la base des mécanismes qu'on utilise pour les détecter.

À la fin de cette vidéo,

vous devrez savoir décrire la perte en énergie par ionisation et

excitation pour les électrons et les positrons, et la perte en énergie

par rayonnement qui est une spécificité des particules légères.

La formule de Bethe-Boch pour les particules légères,

électrons et positrons va être la somme de deux termes.

Le premier terme, similaire à ce que l'on a vu pour les particules lourdes,

qui décrit la collision avec le noyau atomique qui est décrit par le terme

logarithmique, le deuxième terme, ici indiqué par la fonction F tau

où tau est l'énergie cinétique du projectile, qui décrit la

diffusion avec les électrons atomiques, et différencie entre électrons et positrons.

En effet, pour les positrons, c'est la diffusion entre positrons et électrons,

on dit aussi de Bhabha qui va entrer en jeu, et pour les électrons,

c'est la diffusion entre électrons, on dit aussi de Möller.

La différence entre la perte en énergie des électrons et

des positrons n'est toutefois pas très grande.

Mais pour les particules légères on a un autre mécanisme qui va entrer en jeu,

c'est le freinage pas l'interaction avec les électrons atomiques

qui va engendrer le rayonnement de freinage dit aussi bremsstrahlung.

La perte en énergie par rayonnement peut être écrite simplement comme

rapport entre énergie de la particule et la longueur des

radiations X0 qui est une fonction du

nombre atomique z et de la densité volumique du matériau, donc

toutes les propriétés du matériau sont incluses décrites par cette constante X0.

En intégrant la perte en énergie, on peut calculer l'énergie

qui reste à la particule après avoir traversé en épaisseur X du matériau.

On obtient une fonction qui décroît exponentiellement avec l'épaisseur

traversée X et qui a comme

longueur caractéristique la longueur des radiations X0.

Donc la particule, après avoir traversé une épaisseur égale à la

longueur des radiations verra son énergie initiale diminuer par un facteur E.

On peut exprimer ici, dans la formule,

on a exprimé X0 en centimètres mais si on veut la perte d'énergie

en terme de densité surfacique du milieu, on peut réexprimer la longueur des

radiations qu'on produit avec la densité volumique du matériau,

on la mesure donc en gramme fois centimètre à la moins deux.

Des valeurs de densités volumiques

et des longueurs de radiations pour la plupart des matériaux ont été mesurées,

et on les trouve dans le site web du particle data group.

[AUDIO_VIDE] Une spécificité des positrons

est qu'ils peuvent aussi s'annihiler avec les électrons atomiques du matériau.

Ce processus n'est pas important, est important

seulement à basse énergie, c'est-à-dire en fin de parcours du positron.

Lors d'annihilation en repos, deux photons d'énergie égales à la

masse d'électrons, donc à 511 kilo-électro-votls sont émis.

À partir de 10 MeV la perte d'énergie des particules légères,

donc électrons et positrons, est dominée par le bremsstrahlung.

Cela veut dire que beaucoup de photons sont produits par un électron de haute

énergie, qui traverse un matériau.

Ceux-là vont se convertir en paire électrons et positrons,

comme on verra dans la prochaine vidéo,

et ces paires vont émettre à leur tour des photons supplémentaires.

C'est ainsi qu'un électron de haute énergie peut engendrer une gerbe

électron/photon qui est peuplée d'un grand nombre de particules.

L'interaction forte des hadrons avec les noyaux

du matériau fait en sorte que ceux-ci peuvent causer

des gerbes et des particules que l'on appelle gerbe hadronique.

Celles-ci sont généralement moins peuplées que les gerbes électron/photon,

parce que les hadrons les plus légers,

les pions, a une masse d'une centaine de méga-électron-volts.

Et donc à une énergie comparable, les gerbes hadroniques sont moins peuplées

que les gerbes électron et photon, et pour la même raison elles sont plus larges.

Les longueurs caractéristiques pour les interactions fortes

sont typiquement comparables à la longueur des radiations pour les matériaux légers,

mais beaucoup plus grandes pour les matériaux lourds.

Dans la prochaine vidéo, on parlera des interactions des photons avec la matière.

[MUSIQUE]

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