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.
3.9 Détecteurs à scintillation et Cherenkov
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En provenance du cours de University of Geneva
Physique des particules - une introduction
53 notes
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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] Dans ce module, on est en train de présenter
les deux éléments qui nous permettent de mener des
expériences en physique des particules.
Les accélérateurs et les détecteurs.
Dans cette vidéo, on va continuer notre exposition des techniques de détection
des particules, avec les détecteurs à scintillation et à effet Cherenkov.
À la fin de cette vidéo, vous devrez être capable de
décrire les principes de détection dans les scintillateurs, et
savoir quelles sont les mesures qu'on peut effectuer en utilisant l'effet Cherenkov.
Donc, le détecteur à scintillation, qu'on appelle aussi plus simplement
scintillateur, utilise le phénomène de la luminescence pour détecter les particules.
Lorsqu'on expose un matériau luminescent à une forme de radiation,
ceci absorbe de l'énergie qui est ensuite réémise sous forme de lumière.
On parle de fluorescence lorsque l'émission de lumière est,
a lieu immédiatement après l'absorption, ou plus vite que 100 millisecondes.
Si l'émission est plus retardée, on parle de phosphorescence.
La scintillation correspond à une fluorescence par irradiation avec une
particule chargée, ou photon de haute énergie.
On a, on distingue deux types de matériau scintillant.
Les inorganiques, où la fluorescence est associée
à la présence d'états intermédiaires dus à des impuretés.
On peut l'avoir sous forme de cristaux,
comme l'iodure de sodium, le tungstate de plomb, ou de cadmium,
le germanate de bismuth, comme cet échantillon ici.
On peut aussi les avoir sous forme de céramique, de verre liquide,
et aussi les gaz nobles sont des scintillateurs inorganiques.
Leurs caractéristiques, c'est d'avoir un nombre atomique élevé,
et donc sont efficaces pour la détection des photons.
Ils ont une réponse temporelle très bonne, de l'ordre de 500 nanosecondes,
et une réponse à lumière élevée.
Le deuxième type, ce sont les scintillateurs organiques
où la fluorescence est associée à des états excités des molécules.
On les trouve sous forme de cristaux de liquides,
de plastiques, comme cette échantillon ici.
Ils ont une réponse temporelle de l'ordre des nanosecondes.
Mais ils ont un nombre atomique petit,
donc ils ne sont pas efficaces pour les photons.
Mais puisqu'ils contiennent beaucoup d'hydrogène,
ils sont adaptés pour la détection des neutrons.
Donc, une particule chargée ou un photon qui traverse un scintillateur,
excite les atomes ou les molécules du scintillateur,
qui en se désexcitant va émettre des photons.
Si le milieu est transparent, au moins une certaine
partie du spectre de longueur d'onde émise par la lumière de scintillation,
les photons émis vont se propager dans le scintillateur.
On pourra donc les récolter au bout du scintillateur.
Parfois, on utilisera un guide de lumière
pour les amener en détecteur photosensible.
Ensuite ils sont transformés en signal électrique.
On voit dans ce graphisme, la forme de signal électrique.
Donc, il y a un temps de montée très rapide, plus petit que la nanoseconde.
Ensuite, il va décroître exponentiellement
avec un temps caractéristique de l'ordre de 100 nanosecondes.
C'est pour cette réponse très rapide qu'on l'utilise pour construire des
systèmes de déclenchement.
Ils ont une efficacité de détection relativement bonne.
Et, il faut entre 20 et 200 électronvolts pour créer un photon.
Et, sauf aux basses énergies, leur réponse est linéaire, donc on pourra
les utiliser pour mesurer la perte en énergie des particules incidentes.
Donc, le guide de lumière est utilisé soit pour
adapter la forme du scintillateur à celle du photodétecteur, soit aussi, des fois,
pour convertir la longueur d'onde de la lumière émise par scintillation
et l'adapter à la plage de sensibilité du photodétecteur.
Les, on doit toutefois réduire au minimum les pertes de photons,
par exemple par réflexion surtout.
Et donc, on va utiliser dans le guide de lumière, le principe de réflexion
interne, qui a lieu si l'angle d'incidence de la particule est supérieur à l'angle
de Brewster, c'est le rapport entre l'index de réfraction du milieu extérieur,
l'air dans la plupart des cas, et l'index de réfraction du guide de lumière.
Donc, dans ce cas-là, le photon ne pourra pas sortir par réflexion successive,
et sera mené un peu jusqu'au photodétecteur.
Mais, pour des angles plus petits, on va utiliser la réflexion par miroir,
soit en lissant la paroi du guide de lumière le plus possible,
soit en couvrant avec du iii ou même de la peinture.
On a ici un exemple de guide de lumière.
Ici, on mettra notre scintillateur.
Et ici, on va mettre notre photodétecteur.
Et souvent, on couple le guide et le photodécteur,
avec un gel du même index de réfraction, pour réduire la réflexion.
On peut aussi,
donc utiliser des guides de lumières pour décaler la longueur d'onde de la lumière
de scintillation et l'adapter mieux à la sensibilité du photodétecteur.
On a ici un exemple.
On voit des barres de scintillateur,
qu'on a peint pour réduire les réflexions, donc la perte de photons.
Ensuite, on amène, avec ces fibres qui sont en fait les guides de lumière, avec
convertisseur de longueur d'onde, on les amène ici,
où on va après connecter notre photodétecteur.
Donc, le spectre de photons émis par scintillation, il a une
forme très étroite, comme c'est montré ici par trois types de scintillateurs.
L'iodure de sodium, le germanate de bismuth, et le tungstate de cadmium.
Et chacun a un maximum,
en longueur d'onde très particulière qui dépend donc du matériel.
On montre ici aussi l'efficacité de détection du photodétecteur,
qu'on appelle efficacité quantique.
Et on voit qu'elle est optimale pour certaines plages de longueur d'onde.
Parfois, on ajoute aussi un dopant dans le scintillateur pour convertir
la longueur d'onde de la lumière émise,
et l'adapter mieux à la sensibilité du photomultiplicateur.
Donc, voici un type de photodétecteur, ce qu'on appelle photomultiplicateur.
[AUDIO_VIDE] Ici,
la conversion des photons en électrons a lieu dans la photocathode,
qui est faite d'une fine couche d'un alliage métallique alcalin.
Donc, l'efficacité quantique mesure le nombre d'électrons qui est
créé par photons incidents.
Elle dépend de la longueur d'onde du photon
incident et des maximales pour certaines valeurs.
Ici, on montre l'efficacité quantique pour deux types de photocathodes.
Dans les photocathodes modernes, le maximum d'efficacité atteint les 30 %.
Ensuite, on va amplifier le signal en utilisant une série d'électrodes,
dites dynodes, qui sont portées à des potentiels électriques croissants.
Donc, l'électron qui est émis par la photocathode est focalisé sur la
première dynode, où il va arracher de deux à cinq électrons.
Ensuite ils sont focalisés sur la deuxième dynode.
Et de dynode en dynode, on aura un gain
de signal qui pourra atteindre, après 14 stades même 10 millions.
On a ici un exemple de photomultiplicateur,
où on voit les différentes dynodes.
[AUDIO_VIDE] Le détecteur à effet Cherenkov
utilise cet effet particulier qui se produit dans les milieux transparents,
quand ils sont traversés par une particule chargée, qui se propage
dans ce milieu à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière, dans ce milieu.
En effet, quand une particule chargée traverse un milieu d'index de réfraction
n, elle va polariser les atomes le long de son parcours.
Si la vitesse de la particule ne dépasse la vitesse de la lumière dans ce milieu,
les rayonnements des deux dipôles des deux côtés vont s'annuler.
Si par contre, la vitesse de la particule dépasse la vitesse de la lumière dans ce
milieu, la matière en aval ne pourra pas être polarisée,
et donc le champ électromagnétique créé
par la particule va se propager moins vite que la particule elle-même.
Le résultat, c'est un rayonnement net, sous forme de cône de lumière,
d'angle d'ouverture thêta, qui va entourer la trajectoire de la particule,
un peu comme un bateau dans l'eau, ou un avion qui brise Mach 1.
L'effet Cherenkov se produit dans tous les milieux transparents,
et la perte en énergie est négligeable.
Un scintillateur, par scintillation, on perd 100 fois plus d'énergie.
Donc c'est un effet à seuil.
Et on aura Cherenkov dès que les pertes de la particule seront supérieures
ou égales à l'index de réfraction du milieu.
Pour bêta égale à l'inverse de réfraction du milieu,
on aura un rayonnement dans la direction de la particule.
On observe aussi que des particules chargées, qui ont la même impulsion mais
une masse différente, auront des des seuils différents.
On peut donc utiliser cette caractéristique
pour distinguer des isotopes des noyaux complètement ionisés.
Une particule plus lourde que m max ne va pas émettre de rayonnement.
Un type particulier de détecteur Cherenkov,
ce sont les détecteurs Cherenkov à imagerie annulaire,
où on intercepte la lumière Cherenkov dans une surface
de détection qui est transversale à la direction de propagation de la particule.
On observera donc des anneaux de lumière.
Le diamètre du cercle sera lié
à l'angle d'ouverture du cône de lumière,
donc on pourra l'utiliser pour déterminer la vitesse de la particule.
L'intensité du signal sur l'anneau dépend de la charge de la particule incidente.
Et donc, dans ce détecteur,
on pourra mesurer la vitesse et la charge des particules.
Et si on a à disposition par exemple un spectromètre, qu'on va décrire dans la
prochaine vidéo, qui nous donne une mesure précise de l'impulsion,
on pourra distinguer les isotopes d'un noyau complètement ionisé.
Dans la prochaine vidéo, on va voir comment on combine
différents détecteurs pour créer des calorimètres et des spectromètres.
[MUSIQUE]
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