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Détecter
Quoi ?
Pourquoi ?
Ecole de Cargèse Mars 2007
Introduction : physique générale La matière… c’est
….ou encore…
Exemples: - radioactivité- structure en spin du nucléon
- noyaux chauds - plasma de quarks et de gluons - état intermédiaire dans les collisions e+e- ou pp ou pp
Principe d’étude
2 cas– Objet stable
• Il faut ״éclairer״ l’objet diffusion• Il faut ״perturber״ l’objet retour à l’équilibre
– Objet instable• On étudie sa désintégration
Dans tous les cas, il faut détecter:
- soit le projectile diffusé
- soit les émissions de retour à l’équilibre ou de désintégrationpartic
ules
La méthodologie précédente est très générale
• Particules chargées ex: électrons, protons, noyaux• Particules neutres ex: neutrons, neutrinos
• Cas particulier des photons (« grains » d’énergie électromagnétique)– Ondes radio– Infra rouges– Visible– Ultraviolet– Rayons X– Rayons γ (gamma)
• Particules ou noyaux instables ex: π+ μ+ + νμ
π0 2 γ
Quelles sont les particules (ou rayonnements) à détecter?
En général, ces « particules » sont en mouvement et on peut donc les envoyer dans un détecteur
pour les détecter, c’est-à-dire y provoquer une ou des interactions.
• Détecter = – Identifier– Caractériser en énergie
en quantité de mouvement en vitesse
en position
Ordres de grandeur
• On exprime les énergies en …
• Les vitesses sont souvent grandes : v ~ c• Energies cinétiques non relativistes : Ecin = ½ mv2
• Les énergies cinétiques sont relativistes si Ecin > Emasse = m0c2
– Exemples: • Électron: Emasse = 0,511 MeV• Proton: Emasse = 938 MeV
• Si Ecin non relativiste : mesure de Ecin et de v on déduit m
eV keV MeV GeV TeV
103 106 109 1012
Quelques exemples• LEP:
– Projectile: électron;
– Ecin = 100 GeV = 100 000 MeV à comparer à Emasse = 0,511 MeV
– Projectile ultra-relativiste
• LHC:– Projectile : proton;
– Ecin = 7 TeV = 7 000 GeV à comparer à Emasse = 0,938 GeV
– Projectile ultra-relativiste
• GANIL:– Exemple de projectile : noyau de 40Ar;
– Ecin = 50 MeV/nuc = 40 . 50 = 2000 MeV
à comparer à Emasse = 40 . 938 ≈ 40 000 MeV
– Projectile peu relativiste : v = 140 000km/s = 14 cm/ns
– Temps de vol : 7 ns sur 1 mètre.
● Dans (presque) tous les cas, les détecteurs doivent être rapides
Détecter
=
Interagir
Principe numéro 1 Une particule ne peut être détectée que si elle est chargée ou si elle met en mouvement des particules chargées
• Cas des particules chargées : trivial• Cas des particules neutres :
– Mise en mouvement d’un noyau (chargé) par collision ou par réaction
– Exemples : neutrons rapides : n + A n + A
efficacité meilleure si masseproj ≈ massenoyau (comme à la pétanque)
n + p n + p
neutrinos : ν + p e+ + n
• Cas des photons– Mise en mouvement d’électrons
• Effet photoélectrique• Effet Compton• Création de paires
• Cas des particules instables– Elles sont détectées soit directement (si chargées), soit par leurs
produits de désintégration• Exemples: π+ μ+ + νμ ou π0 2 γ
• Remarque
matière = noyau + électrons
tout petit on ne voit (presque) que les électrons
• Force de Coulomb
Mise en mouvement de l’électron ionisation ou excitation
ralentissement du projectile
notions de parcours
de dE/dx
• Formule de Bethe
Principe numéro 2 Les particules chargées ionisent les atomes
2
,
04
1
r
qqF
)(2
EfE
mz
dx
dE
Remarque essentielle
• L’ionisation est un phénomène linéaire :
• Exemples:– Arrêt total dans le détecteur
– Ralentissement
– Valeur de la constante: gaz: 30 eV; Solides (Silicium) : 3 eV
• Ordres de grandeur– arrêt d’une particule α de 5 MeV :
• Gaz : n = 5.106 / 30 ~1,7 105 électrons ionisés• Silicium : n = 5.106 / 3 ~1,7 106 électrons ionisés
.'
constperdueénergiearrachésélectronsdnombre
.const
En cin
.const
En cin
Retour sur la formule de Bethe
)(2
EfE
mz
dx
dE
Effet de z et m identification possible
Physique des particules et astroparticules
Physique nucléaire
● Cas des neutrons:
- rappel du principe:
- seule l’énergie transférée à la particule chargée sera « vue » par le détecteur
- n est variable d’un évènement à l’autre:
● Cas des photons:
3 cas de figure:
a) effet photoélectrique
b) effet Compton
c) création de paires
● Cas des neutrinos
- là aussi, seule l’énergie de la particule chargée est vue par le détecteur
Retour sur la détection de particules non chargées
const
En c
elhEc
22 cmhE ec
elhhEc
Remarques essentielles• Les particules chargées interagissent de façon continue dans la matière
• Les particules non chargées interagissent rarement mais de façon violente
Conséquences
- protectionIl est facile de se protéger contre les particules chargées si épaisseur > parcours
Il est impossible de parfaitement arrêter des particules non chargées
- détectionIl est facile de détecter une particule chargée (interactions multiples dans le détecteur)
Il est impossible de détecter toutes les particules non chargées qui atteignent un détecteur
Notion d’efficacité de détection
Efficacité de détection
Exemple des neutrons Exemple des photons
Loi générale :
Ce qui a interagi dans le détecteur:
Efficacité de détection:
xeNN 0
)1(00xeNNN
xeN
N
N
NN
1100
0
Ce qui a interagi : N0 - N
Ce qui reste : N
N0 N0N N
L’efficacité de détection croit avec la taille du
détecteur
Elle est toujours faible pour les neutrinos: d’où
la taille des détecteurs (Superkamiokande ou
Antares ou Amanda)
• Rayonnement de freinage– Significatif seulement pour les électrons rapides (E>10MeV)
– Remarque: c’est l’origine du rayonnement synchrotron c’est la façon de créer des faisceaux intenses de photons
• Effet Cerenkov– Vitesse de la lumière dans un milieu d’indice n: c/n
– Il y a effet Cerenkov si : vitesse > c/n
– Phénomène analogue au « passage du mur du son ».
– La lumière est émise suivant un cône de demi-angle θ tel que :
Conséquences:
- Phénomène à seuil
- Permet de mesurer une vitesse
(détecteurs RICH)
Principe numéro 3 Les particules chargées ont aussi d’autres modes d’interaction quand elles sont relativistes
nv
ccos
En résumé
8
• Tentative de retour à l’équilibre• 2 familles de détecteurs
– On empêche le retour à l’équilibre et on détecte les électrons : détecteurs d’ionisation
– On observe le retour à l’équilibre : scintillation
Principe numéro 4 La matière ionisée est « mal dans sa peau ».
Une petite loupe sur la scintillation
- Il y a plusieurs sortes de scintillation
- fluorescence : rapide (ns)
- fluorescence retardée (≈ 500 ns)
- phosphorescence : lent (ms)
- La proportion de ces mécanismes dépend des particules chargées détectées
Identification possible
Résumé• Principe n°1
On ne détecte que les particules chargées. Si la particule initiale n’est pas chargée, on ne la détecte que si elle met en mouvement une particule chargée
• Principe n°2Une particule chargée ionise (mécanisme principal). Ce mécanisme est linéaire
• Principe n°3mécanismes additionnels
- rayonnement de freinage - effet Cerenkov
• Principe n°4Les atomes ionisés « veulent » revenir à l’équilibre(recombinaison, scintillation)
• ConséquencesIl y a deux sortes de détecteur :
- détecteurs de l’ionisation- détecteurs de la scintillation
Un contre-exemple : les bolomètres exemple : Edelweiss
Identifier
Mesurer l’énergie
Localiser
Identifier
1) Les particules chargées (m, z)Méthode ΔE-E; utilisation de la formule de Bethe )(
2
EfE
mz
dx
dE
On a identifié
On a aussi mesuré l’énergie E
Lent
Rap
6,7,8,9Li
3He
H
e-,
7,9,10BeB12C
?
6He
8He
Variante de la méthode ΔE-E
Discrimination de forme
- est utilisée pour les scintillateurs (séparation n-γ-particules légères)- pour séparer les noyaux, il faut faire mieux :
traitement numérique du signal
12C 13CV(m
V)
V(m
V)
time (ns) time (ns)
Principe : La forme d’un signal dépend de la nature de la particule détectée. On étudie donc cette forme en reconstruisant le signal point par point.
Cette méthode nouvelle est très générale et sera en
particulier appliquée au silicium :
projet FAZIA
Elle implique un échantillonnage très rapide (GHz)
Une loupe sur le traitement numérique du signal
E
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
Rc
E
t
V
5 mV
pour 10MeV et 100pF
L’impulsion se construit pendant le mouvement des charges
Une loupe sur le traitement numérique du signal
Rc
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
---------------
+++++++++++++++
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
La forme de l’impulsion reflète le détail du dépôt d’énergie: en principe, elle permet donc d’identifier (formule de Bethe)
Une autre méthode pour identifier
Utilisation d’un aimant
mesure de E
TV ( v)
ρ
2
2
1vmE
2vmBvezi iz
m
Avantage : meilleure précision (mieux que le %)
Inconvénients : mesure longue
angle solide petit
Exemple : Speg à Ganil
Mesurer m seulement : méthode du temps de vol
Principe :
2
2
2
2
2
2
2
1
2
1
L
TVEm
TV
LmE
vmE
L
Ordres de grandeur :
L : quelques mètres
TV ≈ 100 ns
détecteurs rapides nécessaires
temps de réponse : ≈ ns
(Cette méthode ne s’applique bien sûr pas pour les produits relativistes)
Cas particulier des particules instables : identifier en reconnaissant la décroissance
par le temps :
nsexemple 26:
par la nature et l ’énergie des produits de désintégration :
somme des énergies = 135 MeV dans le repère du
2: 0 exemple0
Identifier
Mesurer l’énergieou la quantité de mouvement
Localisernon relativiste: Ecin = ½ mv2
relativiste: E2 = p2c2 + m02 c4
Mesure de l’énergie cinétique
1) l’ionisation est un phénomène linéaire- mesure du nombre d’électrons arrachés (intégration du signal)
● méthode valable pour tous les détecteurs d’ionisation● les meilleurs : Silicium (particules) et Germanium (gammas)
- mesure du nombre de photons de retour à l’équilibre (intégration du signal)● les scintillateurs sont moins linéaires que les détecteurs
d’ionisation : leur réponse dépend de la nature de la particule
2) Les aimants permettent des mesures précises - mesure (approximative) de l’énergie - mesure du rayon de courbure
- mesure de la position
Bm
ezv
vmBvez
2
Cette méthode est générale : elle donne la vitesse -donc l’énergie- (non relativiste) ou la quantité de mouvement -donc l’énergie- (relativiste)
Elle est utilisée dans tous les grands détecteurs de physique des particules
Identifier
Mesurer l’énergie
Localiser
Mesure de la position
1) Dans les gaz : - chambres à dérive
● valeurs typiques de vdrift : 6-10 cm/μs- chambres à fils ou à pads- TPC
Mesure de la position
2) Dans les Silicium : les strips ou les pads Must, Atlas, Alice,…
3) Dans les germanium : Exogam et le projet Agata
Mesure de la position
3) Dans les germanium (suite): Exogam et le projet Agata
Détermination du fil, du strip ou du pad1) Électronique individuelle : si on est riche…
sinon…
2) Division résistive
3) Division par retard 1
2
2
1
R
R
S
S
rNnrnNrnrrTT )12()()1(2121
Mais alors attention aux doubles coups ou aux hauts taux de comptage
Localisation dans les scintillateurs
1) Localisation par différence de temps (Tonnerre, détecteur Opéra)
2) Localisation par centre de gravité (gamma camera)
nstcmxc
xd
c
xt
1)(10
- On ne sait « voir » que les particules chargées- Seuls les bolomètres (et encore..) peuvent voir la matière noire- Les signaux recueillis sont soit l’ionisation soit la lumière de retour à
l’équilibre- On sait mesurer l’énergie, la position et les temps- On sait identifier
- L’avenir passe par un rapprochement des techniques de la physique nucléaire et de la physique des particules et astroparticules
- L’avenir passe par le traitement numérique du signal qui autorisera :● une meilleure identification en physique nucléaire (identification en charge et en masse des noyaux)● une meilleure résolution en position (germanium gamma)● une réduction du bruit car une numérisation au plus près du détecteur
Conclusion
Production de faisceaux de
particules
Production de faisceaux de particules
• Les sources radioactives– Nature des particules :
– Alphas– Bétas– Gammas– Neutrons– Fragments de fission
• Les faisceaux artificiels non chargés– On ne sait les créer que par réaction ou interaction– Exemples:
• Photons : faisceaux intenses de haute énergie : rayonnement de freinage• Photons : faisceaux intenses d’énergie plus faible (domaine des X : keV) :
rayonnement synchrotron : ESRF, Soleil• Neutrons: flux intenses de neutrons d’énergie limitée (< MeV) : réacteurs• Neutrons : faisceaux d’énergie définie produits par réaction (exemple :
cassure du deuton : projet Spiral 2)• Neutrinos : produits par les réacteurs (basse énergie) ou à partir de
réactions induites par faisceaux de protons (Cern : expérience Opéra)
Production de faisceau de particules
• Les faisceaux chargés et « tordus »– On ne sait les produire qu’à partir de réactions de particules chargées
plus simples et donc plus faciles à obtenir– Exemples :
• p + cible π + ….• noyau stable + cible noyau radioactif + …
• Les faisceaux chargés et non « tordus »– Ce sont les électrons, les protons ou tous les noyaux stables
LEP-ILC-CLIC LHC Ganil
2 éléments :la sourcel’accélérateur
Accélérateurs : Principe numéro 1 On ne sait accélérer que des particules chargées. On soumet ces particules à des champs électriques
• Caractéristiques des faisceaux de particules1) Leur énergie :
Les grandes énergies ne seront possibles que par une succession d’accélérations
eV keV MeV GeV TeV
103 106 109 1012
E
E
Ces chiffres sont énormes: généralement les intensités des faisceaux s’expriment en nA ou en μA. Le milliampère est une intensité énorme. Le projet IPHI a pourtant l’ambition d’atteindre 100mA.
2) La résolution en énergie :- Ordres de grandeur
10-2 (1%) : médiocre10-3 : bon10-4 : excellent
3) Leur intensité : - Charge élémentaire : e = 1,6 . 10-19 C- 1 ampère (A) = 1 C/s = 6 . 1018 e/sSi on accélère des:
Électrons : 1 A = 6 . 1018 électrons/secondeProtons : 1 A = 6 . 1018 protons/secondeArgon 15+: 1 A = 6 . 1018 /15 = 4.1017 argons/seconde
• Relation importante
An
Nb d’év./s Nb. At. cible/cm2 Flux (part./s) sect. effic.
Une variante de l’intensité : la luminosité
- notion utile dans les collisionneurs
- collisionneurs : au fait : pourquoi? pour ne pas gaspiller
An
S
fNL
2
N : nombre de particules par paquet
S : section
f : nombre de paquets par seconde
Ln Nb d’év. luminosité sect. effic. (cm2 ou barn = 10-24 cm2)
• Caractéristiques des faisceaux de particules4) Leur émittance :
elle permet de mesurer les qualités géométriques d’un faisceau
Taille convergence
Etude plus détaillée à une dimension :
Émittance = π a b
Unité : π . mm . mrad
Ordres de grandeur : 10 π.mm.mrad
• Caractéristiques des faisceaux de particules5) Leur structure en temps :
La plupart des faisceaux sont pulsés
3 caractéristiques :
- fréquence (taux de répétition)valeurs typiques : 10 MHz à 100 MHzpériodes :100 ns à 10 ns
- largeur des paquetsvaleur typique : 1 ns
- macrostructure (éventuellement)le faisceau peut être déversé par paquetspar exemple 1 seconde toutes les 5 secondes
Tous ces temps dépendent des techniques d’accélération et du fait que les particules soient ou ne soient pas relativistes
• Avantages– E précis (ΔE/E ≈ 10-3)
• Inconvénient– E limité (Vmax = 20 MV)
• Utile pour les noyaux– Ex: Van de Graaf de Bordeaux
La façon la plus simple d’accélérer : le Van de Graaf
• Avantages– On a gagné en énergie
• Inconvénient– Il faut produire des ions négatifs
• Utile pour les noyaux– Ex: le tandem d’Orsay
La variante : le tandem
Le cyclotron
vdetindépendanm
Bq
vmBvq
2
• Principe
• Accélérations successives– utilisation d’une tension alternative
• Avantages– possibilité d’énergies plus élevées
• Inconvénients– résolution ΔE/E médiocre (1%)– taille pour énergies élevées– Limitation aux énergies relativistes
• Application principale– faisceaux d’ions lourds (Ganil)
• Améliorations– machines supra (taille : MSU, T&M)– augmentation de l’état de charge
Un prolongement : le synchrocyclotron• Principe
Nécessité de faire varier ω
• Conséquence : – Le faisceau a une macrostructure
• Avantage :– On monte haut en énergie
• Inconvénient :– La limitation pour les énergies très élevées– Masse très grande d’acier
• Exemple :– Le SC médical d’Orsay; les projets de hadronthérapie
(Etoile et Asclépios)
vdetindépendanm
Bq devient faux pour les énergies relativistes
Le synchrotron• Objectif :
– Atteindre des énergies très élevées– …donc, atteindre des rayons très élevés– …tout en limitant la quantité de fer…
• Les moyens pour y parvenir– Synchroniser
• et la pulsation ω, • et le champ B
• Remarque :– La fréquence peut ne pas être
synchronisée pour les électrons pré-accélérés
• Limitations– La taille– Les valeurs de B– Le rayonnement synchrotron
• Exemples de machines– Lep, LHC, RHIC, ESRF, Soleil
• Le successeur du LEP (ILC ou CLIC) ne sera pas un synchrotron (limitation du rayonnement synchrotron)
Le synchrotron• Quelques exemples
Les accélérateurs linéaires
• Principe :– Dérouler un cyclotron…– …avec des électrodes ou des cavités HF
• Avantages– Pas de limitation due au rayonnement synchrotron– Résolution en énergie très bonne– Bonne qualité de faisceau (émittance)
• Inconvénients dans le cas des collisionneurs– Une seule collision :
la luminosité doit être énorme (tailles de l’ordre du micron)
• Exemples– ALTO, (LAL), SLAC, ILC, CLIC
Les sources des accélérateurs• Electrons :
– Filament chauffé (cf tube télé)
• Protons et noyaux :– Nécessité de former un plasma
• Source PIG– Courant d’électrons entre cathode
et anticathode– Inconvénient de la durée de vie
• Source ECR– Principe : celui du cyclotron
– Avantage de la durée de vie – Avantage des états de charge
élevés
m
Bq
• Principe :– Accélération d’un faisceau stable
– Réaction de production
– Reprise des faisceaux• Sans accélération
• Avec accélération
• L’existant en France :– Sissi
– Spiral1
• L’avenir :– Monter les intensités
– Produire des faisceaux de plus en plus lourds
– Projets :• Spiral2 : horizon 2009• Eurisol : horizon 2015• Fair (Darmstadt) , RIA (Oak Ridge), Riken
La production de faisceaux radioactifs
- Les accélérateurs du futur obéissent à 3 objectifs :- très hautes énergies d’électrons (TeV): linéaires
- physique fine du boson de Higgs et des part. super symétriques
- très hautes intensités (100mA protons 1 GeV)- sources de neutrons intenses
- réacteurs assistés par accélérateurs (ADS)
- faisceaux radioactifs intenses- Eurisol (après Spiral2), FAIR, RIA, Riken
- les énergies ultimes viennent du cosmos….- expériences Auger, Lisa,…
Conclusion
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