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