Détecter Quoi ? Pourquoi ?

1. Détecter Quoi ? Pourquoi ? Ecole de Cargèse Mars 2007

2. Introduction : physique générale La matière… c’est

3. ….ou encore…

4. 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 • 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 Dans tous les cas, il faut détecter: - soit le projectilediffusé - soit les émissions de retour à l’équilibre ou de désintégration particules

5. La méthodologie précédente est très générale

6. Quelles sont les particules (ou rayonnements) à détecter? • Particules chargéesex: 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

7. 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

8. 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 deEcinet de v on déduit m

9. 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

10. Détecter = Interagir

11. 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+ + νμou π0  2 γ

12. Principe numéro 2 Les particules chargées ionisent les atomes • 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

13. 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

14. Physique des particules et astroparticules Physique nucléaire Retour sur la formule de Bethe Effet de z et m  identification possible

15. Retour sur la détection de particules non chargées ● 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

16. Remarques essentielles • Les particules chargées interagissent de façon continue dans la matière • Les particules non chargées interagissent rarement mais de façon violente Conséquences - protection Il est facile de se protéger contre les particules chargées si épaisseur > parcours Il est impossible de parfaitement arrêter des particules non chargées - détection Il est facile de détecter une particule chargée (interactions multiples dans le détecteur) Notion d’efficacité de détection Il est impossible de détecter toutes les particules non chargées qui atteignent un détecteur

17. Efficacité de détection N N0 N N0 Exemple des neutrons Exemple des photons Loi générale : Ce qui a interagi dans le détecteur: Efficacité de détection: 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) Ce qui a interagi : N0 - N Ce qui reste : N

18. Principe numéro 3 Les particules chargées ont aussi d’autres modes d’interaction quand elles sont relativistes • 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)

19. En résumé 8

20. Principe numéro 4 La matière ionisée est « mal dans sa peau ». • 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 • 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

21. 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°2 Une particule chargée ionise (mécanisme principal). Ce mécanisme est linéaire • Principe n°3 mécanismes additionnels - rayonnement de freinage - effet Cerenkov • Principe n°4 Les atomes ionisés « veulent » revenir à l’équilibre (recombinaison, scintillation) • Conséquences Il y a deux sortes de détecteur : - détecteurs de l’ionisation - détecteurs de la scintillation Un contre-exemple : les bolomètres exemple : Edelweiss

22. Identifier Mesurer l’énergie Localiser

23. Identifier • Les particules chargées (m, z) Méthode ΔE-E; utilisation de la formule de Bethe On a identifié On a aussi mesuré l’énergie E

24. 12C Rap B ? 7,9,10Be 6,7,8,9Li 8He 6He a 3He H V(mV) 12C V(mV) 13C e-, g Lent time (ns) time (ns) 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 Cette méthode nouvelle est très générale et sera en particulier appliquée au silicium : projet FAZIA Elle implique un échantillonnage très rapide (GHz) 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.

25. V E t + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Une loupe sur le traitement numérique du signal 5 mV pour 10MeV et 100pF E Rc L’impulsion se construit pendant le mouvement des charges

26. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + --------------- +++++++++++++++ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 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)

27. Une autre méthode pour identifier Utilisation d’un aimant mesure de E TV ( v) ρ Avantage : meilleure précision (mieux que le %) Inconvénients : mesure longue angle solide petit Exemple : Speg à Ganil

28. Mesurer m seulement : méthode du temps de vol Principe : L (Cette méthode ne s’applique bien sûr pas pour les produits relativistes) Ordres de grandeur : L : quelques mètres TV ≈ 100 ns détecteurs rapides nécessaires temps de réponse : ≈ ns

29. Cas particulier des particules instables : identifier en reconnaissant la décroissance par le temps : par la nature et l ’énergie des produits de désintégration : somme des énergies = 135 MeV dans le repère du

30. Identifier Mesurer l’énergie ou la quantité de mouvement Localiser non relativiste: Ecin = ½ mv2 relativiste: E2 = p2c2 + m02 c4

31. Mesure de l’énergie cinétique • 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 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

32. Identifier Mesurer l’énergie Localiser

33. Mesure de la position • Dans les gaz : - chambres à dérive ● valeurs typiques de vdrift : 6-10 cm/μs • chambres à fils ou à pads • TPC

34. 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

35. Mesure de la position 3) Dans les germanium (suite): Exogam et le projet Agata

36. Détermination du fil, du strip ou du pad 1) Électronique individuelle : si on est riche… sinon… • Division résistive • Division par retard 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)

37. Conclusion • 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

38. Production de faisceaux de particules

39. 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)

40. 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 source l’accélérateur

41. Accélérateurs : Principe numéro 1 On ne sait accélérer que des particules chargées.On soumet ces particules à des champs électriques

42. Caractéristiques des faisceaux de particules 1) Leur énergie : Les grandes énergies ne seront possibles que par une succession d’accélérations • 2) La résolution en énergie : • - Ordres de grandeur • 10-2 (1%) : médiocre • 10-3 : bon • 10-4 : excellent • 3) Leur intensité : • - Charge élémentaire : e = 1,6 . 10-19 C • - 1 ampère (A) = 1 C/s = 6 . 1018 e/s • Si on accélère des: • Électrons : 1 A = 6 . 1018 électrons/seconde • Protons : 1 A = 6 . 1018 protons/seconde • Argon 15+: 1 A = 6 . 1018 /15 = 4.1017 argons/seconde • 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.

43. N : nombre de particules par paquet S : section f : nombre de paquets par seconde • Relation importante 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 Nb d’év. luminosité sect. effic. (cm2 ou barn = 10-24 cm2)

44. Caractéristiques des faisceaux de particules 4) 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

45. Caractéristiques des faisceaux de particules 5) Leur structure en temps : La plupart des faisceaux sont pulsés 3 caractéristiques : - fréquence (taux de répétition) valeurs typiques : 10 MHz à 100 MHz périodes : 100 ns à 10 ns - largeur des paquets valeur typique : 1 ns - macrostructure (éventuellement) le faisceau peut être déversé par paquets par 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

46. La façon la plus simple d’accélérer : le Van de Graaf • Avantages • E précis (ΔE/E ≈ 10-3) • Inconvénient • E limité (Vmax = 20 MV) • Utile pour les noyaux • Ex: Van de Graaf de Bordeaux La variante : le tandem • Avantages • On a gagné en énergie • Inconvénient • Il faut produire des ions négatifs • Utile pour les noyaux • Ex: le tandem d’Orsay

47. Le cyclotron • 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

48. Un prolongement : le synchrocyclotron devient faux pour les énergies relativistes • 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)

49. 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)

50. Le synchrotron • Quelques exemples