Physique Subatomique. Techniques Expérimentales de la Physique.

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1 Université Joseph Fourier Grenoble 1 L3 physique, Techniques Expérimentales de la Physique Physique Subatomique guillaume.pignol@lpsc.in2p3.fr 1

2 TEP Physique subatomique : Plan Chapitre 1 Généralités 1.1 Le monde subatomique 1.2 Cinématique relativiste 1.3 Notion de section efficace Chapitre 2 Principes physique des détecteurs 2.1 Ralentissement des particules chargées 2.2 Rayonnement Cherenkov 2.3 Détecteurs de particules individuelles 2.4 Détection des particules neutres Chapitre 3 Physique des hautes énergies 3.1 Accélérateurs et collisionneurs 3.2 Structure d un grand détecteur 3.3 Notion de luminosité 3.4 Exemple du Boson de Higgs au LHC Références Le monde subatomique, L. Valentin. Radiation Detection and Measurement, G. F. Knoll. Tech. For Nuclear and Particle Physics Experiments, W. R. Leo. 2

3 1.1 Le monde subatomique L échelle atomique L échelle subatomique m 1 fermi (fm) = m Energie de liaison atomique 10 ev Energie de liaison nucléaire ev = 2,2 MeV Physique nucléaire : étude des noyaux, états liés de protons et de neutrons distances de l ordre du fermi, énergies de l ordre du MeV Physique des particules : étude des constituants élémentaires et de leurs interactions collisions de protons au LHC: 7 TeV (1 TeV = MeV) 3

4 1.1 Le monde subatomique : la découverte du positon Il est possible de «voir» les particules une par une, grâce au pouvoir ionisant des particules énergétiques chargées traversant la matière. Plaque 0.6 cm de plomb Les particules chargées sont défléchies par un champ magnétique: B = 1.5 T Photographie de chambre à brouillard, ou chambre de Wilson. (Anderson 1932) p : quantité de mouvement Z : charge entière B : champ magnétique R : rayon de courbure 4

5 1.1 Le monde subatomique Particule Masse γ photon 0 ν neutrinos 0 On exprime les masses des particules en unité de ev/c 2 e électron 0,511 MeV µ muon (instable) 107 MeV π 0 pion neutre (instable) π pion chargé (instable) p proton n neutron (instable) 135 MeV 140 MeV 938,3 MeV 939,6 MeV + antiparticules + particules furtives (très courte durée de vie) + particules étranges En physique nucléaire, la masse d un noyau est inférieure a la masse des nucléons Masse du deuton = 1875,7 MeV Proton + neutron = 1877,9 MeV 5

6 1.1 Phénomènes à l échelle subatomique Désintégration d une particule instable Collision de particules Caractérisée par la durée de vie de la particule. Pour le neutron: 15 minutes Caractérisée par la section efficace du processus. 6

7 1.2 Cinématique relativiste d une particule massive Quadrivecteur temps-espace m Référentiel du laboratoire Référentiel propre Egalité des normes de Minkowski On définit le facteur de Lorentz Quadrivecteur énergie-impulsion 7

8 1.2 Cinématique relativiste Relation fondamentale de la cinématique relativiste pour une particule. Energie totale Energie cinétique Dans une réaction (désintégration ou collision) Conservation de l énergie totale Conservation de l impulsion 8

9 1.2 Cinématique : désintégration d un pion au repos Calcul de l énergie cinétique du muon -p p Energie initiale Energie finale 9

10 fréquence 1.2 Cinématique : désintégration d un neutron au repos Désintégration d un neutron au repos Hypothèse : désintégration à 2 corps Exercice : calculer l énergie cinétique de l électron. réponse On mesure un spectre d énergie continu pour l électron! L énergie ne semble pas être conservée... T e [kev] 10

11 1.2 Cinématique : désintégration d un neutron au repos Hypothèse de Pauli (1930) : l existence du neutrino Exercice: calculer l énergie minimale et maximale possible de l électron. Jamais observé Explique le spectre continu des désintégrations β A retenir : Désintégration à 2 corps : énergie des particules fixée. Désintégration à 3 corps : spectre en en énergie continu. Observation de l antineutrino par l expérience de Cowan et Reines (1956), prix Nobel

12 1.2 Cinématique : l effet Compton Effet Compton = Collision élastique photon électron au repos. Calculons l énergie du photon après la collision Cas particulier θ = π. Conservation de l énergie Conservation de l impulsion alors Finalement 12

13 1.3 Notion de section efficace Etude de la réaction : X (Expérience sur cible fixe) Faisceau (Particule 1): Distribution uniforme Intensité I f (part./s) largeur < cible, Détecteur (Particule 3): Direction, R >> dimensions cible angle solide d = ds/r 2 = sin d d Cible (Particule 2): mince 1 seule interaction épaisseur dx (cm) densité de centres diffuseurs : n (cm -3 ) 13

14 1.3 Notion de section efficace Définition expérimentale de la section efficace différentielle dσ/dω Soit d 2 N d le nombre de particules traversant le détecteur par unité de temps La section efficace différentielle contient l information physique caractéristique de l interaction entre la particule incidente et la particule cible. Elle dépend en général de E et de θ. On définit aussi la section efficace totale, qui a la dimension d une surface. Unité : le barn (b) 1 b = cm 2 On déduit le taux de collision par unité de temps dans la cible 14

15 1.3 Notion de section efficace Analogie classique : dans le cas de la diffusion de particules ponctuelles sur des billes de rayon R, la section efficace totale correspond à la section géométrique π R 2 Tout se passe comme si la cible était faite d objets de section σ. Exemple de la diffusion Compton Pour des gammas de 1 MeV : Tout se passe comme si, vu par un photon de 1 MeV, l électron avait un «rayon» de 3x10-13 cm = 3 fm. 15

16 1.3 Notion de section efficace : atténuation du faisceau N(0) N(X) Probabilité pour une particule d interagir dans un couche d épaisseur dx = n σ dx Alors 0 X x Exemple : mesure de l atténuation de photons de 122 kev dans l eau. On a une atténuation exponentielle Avec le coefficient d atténuation linéique 16

17 1.3 Section efficace et libre parcours moyen Question: pour une cible infinie, quelle est la distance moyenne λ de la première interaction? Soit dp(x) la probabilité d interagir entre x et x+dx Probabilité de survivre jusqu à x Probabilité d interagir dans une couche d épaisseur dx On peut calculer le libre parcours moyen Soit finalement Exercice : calculer le libre parcours moyen pour l effet Compton d un photon de 1 MeV dans l eau. Réponse : 15 cm 17

18 Exemple de l atténuation des photons gamma dans l eau Effet Compton Effet photoélectrique Création de paires 18

19 Université Joseph Fourier Grenoble 1 L3 physique, Techniques Expérimentales pour la Physique Subatomique Chapitre 2 : Principes physique des détecteurs 2.1 Ralentissement des particules chargées 2.2 Rayonnement Cherenkov 2.3 Détecteurs de particules individuelles 2.4 Détection des particules neutres 19

20 2.1 Ralentissement des particules chargées Interaction des particules neutres (photons, neutrons, neutrinos) dans la matière : RARES et CATASTROPHIQUES La détection est en général DESTRUCTIVE Interaction des particules chargées dans la matière : RALENTISSEMENT QUASI CONTINU Par interaction Coulombienne a longue distance avec les électrons. Il est possible d effectuer une détection NON-DESTRUCTIVE. 20

21 Ralentissement des particules chargées La formule de Bethe-Bloch donne la perte d énergie par ionisation Constantes Particule incidente Matériau N A = nombre d'avogadro m e = masse de l électron α = 1/137 = constante de structure fine z = charge entière β = vitesse Z, A numéro et masse atomique ρ densité volumique I énergie moyenne d excitation des atomes 21

22 Ralentissement des particules chargées Pour tous les matériaux, Z/A varie peu (Z/A 0,5) de même que l énergie moyenne d ionisation I. Conclusion : le pouvoir d arrêt Minimum d ionisation ( ~ 3) (Stopping power) est presque indépendant du matériau (liquide, solide, gaz) Particule non relativiste Le pouvoir d arrêt varie en 1/v 2 Particule ultra relativiste MIP (Minimum Ionising Particle) Le pouvoir d arrêt est approximativement constant 22

23 Ralentissement des particules chargées Exemple 1 : les muons du rayonnement cosmique. Le muon a une masse de 100 MeV, c est donc une MIP si E > 200 MeV. Les muons cosmiques ont typiquement une énergie de 2 GeV = 2000 MeV. Pour une MIP dans l eau, de/dx -2 MeV/cm. Alors, le muon cosmique peut traverser approximativement 1000 cm = 10 m d eau. Un calcul plus précis avec la formule de Bethe Bloch donne un parcours dans l eau de 9,4 m. Exemple 2 : les électrons issus de la désintégration du neutron. Les particules beta ont une énergie typique de E 0 = 0,4 MeV On fait l approximation non relativiste E = ½ m β 2. Pour une particule non relativiste Alors, on peut calculer le parcours R (range) de l électron dans l eau (exercice) Un calcul plus précis avec la formule de Bethe Bloch donne un parcours dans l eau de 0,13 cm. 23

24 Cas particulier des électrons ultrarelativistes En plus du phénomène d ionisation, les électrons (ou les positons) peuvent perdre de l énergie par rayonnement de freinage (bremsstrahlung) lorsqu ils sont dévies par le champ Coulombien des noyaux. X 0 = longueur de radiation du matériau. Dans l eau, X 0 = 36 cm A haute énergie, les électrons et les photons initient des gerbes électromagnétiques. 24

25 Retour sur la découverte du positon Plaque 0.6 cm de plomb B = 1.5 T Théorie dans l hypothèse positon: Pour le plomb : Longueur de radiation X 0 = 0,56 cm Energie critique E c = 7 MeV Expérience 25

26 2.2 L effet Cherenkov Au repos lent rapide Milieu d indice optique n > 1 Une particule chargée se déplaçant plus vite que la vitesse de la lumière dans un milieu émet sur son passage un rayonnement cohérent : le rayonnement Cherenkov. 26

27 L effet Cherenkov Milieu d indice optique n > 1 Une particule chargée se déplaçant plus vite que la vitesse de la lumière dans un milieu émet sur son passage un rayonnement cohérent : le rayonnement Cherenkov. Ouverture de l angle Cherenkov Construction de Huygens pour la propagation de la particule et du rayonnement pendant une durée t. Seuil Cherenkov Dans l eau (n=1,33), les particules émettent de la lumière Cherenkov si β >

28 La lumière Cherenkov Nombre de photons Cherenkov émis par unité de longueur et de longueur d onde : formule de Frank et Tamm Les petites longueurs d ondes sont favorisées : on voit la lumière Cherenkov bleue. Piscine réacteur ILL Lumière Cherenkov produite par les électrons issus de la désintégration des neutrons : n p + e - + n 28

29 Mesurer la lumière : Le photomultiplicateur Efficacité quantique ~ 20% Gain du V ~ 5x

30 Exemple du détecteur Super Kamiokande C est une cuve contenant tonnes d eau enfouie sous une montagne, dans la mine Kamioka, au Japon. Le détecteur est équipé d environ photomultiplicateurs. 40 m 30

31 Durée de vie du proton avec Super Kamiokande Recherche de la désintégration du proton Questions: 1) Calculer l impulsion du positon. Réponse : 460 MeV. 2) Calculer le seuil Cherenkov pour l impulsion du positon dans l eau. Réponse 0,68 MeV. 3) Le détecteur Super Kamiokande contient tonnes d eau. Combien de protons sont «observés»? Réponse : 7 x protons 4) Aucun évènement n est observé pendant t = 2 ans de mesure. En déduire une limite inférieure sur le temps de vie du proton. Réponse : 1,3 x ans. 31

32 Mesure des neutrinos avec Super Kamiokande Détection des neutrinos solaires par diffusion élastique sur les électrons de l eau Questions : 1) Quelle est l énergie minimale du neutrino pour observer l effet Cherenkov de l électron de recul dans l eau? 2) La section efficace vaut σ = 9 x cm 2. Le flux de neutrinos vaut φ = 3 x 10 6 cm -2 s -1. Le détecteur contient tonnes d eau. Calculer le nombre d évènements détectés en 1 an. On supposera que l énergie des neutrinos est supérieure au seuil Cherenkov. 32

33 2.2 Détecteurs de particules individuelles La chambre de Wilson (cloud chamber) C. Wilson Nobel 1927 P. Blackett Nobel 1948 La chambre à bulles D. Glaser Nobel 1960 L. Alvarez Nobel 1968 Premières techniques pour visualiser les traces d ionisation des particules chargées. Chambre à étincelles M. Schwartz Nobel

34 Détecteurs de particules individuelles Détecteur Détecteurs modernes : Transforment l énergie déposée en un signal électrique E E signal E - E 1) Détecteurs gazeux Chambre à ionisation Compteur proportionnel Compteur Geiger 2) Détecteurs liquides Détecteur cherenkov Scintillateurs liquides 3) Détecteurs solides Scintillateurs Semiconducteurs 34

35 Caractéristiques générales des détecteurs Détecteur basique : le compteur Exemple : mesure du temps de vol La qualité du détecteur se caractérise par sa résolution en temporelle δt Et aussi : efficacité transparence 35

36 Caractéristiques générales des détecteurs Mesure de l énergie déposée La qualité du détecteur se caractérise par sa résolution en énergie ΔE Mesure de la position Exemple du trajectographie, pour mesurer l impulsion des particules. La qualité du détecteur se caractérise par sa résolution en position. 36

37 Détecteurs gazeux La particule chargée ionise le gaz (formule de Bethe Bloch), la charge primaire est collectée par des électrodes et transformée en courant électrique. George Charpak Nobel 1992 MultiWire Proportional Chamber Avec une chambre a fils, on peut construire un détecteur gazeux mesurant la position des particules. 37

38 Différents régimes d un détecteur gazeux En faisant croître V 0, on observe plusieurs types de régime: simple collection des charges primaires créées par la particule incidente (II) multiplication des charges primaires (x 10 6 ) car e - primaires suffisamment accélérés pour pouvoir ioniser le gaz (phénomène d avalanche). Régime proportionnel Q fin ~ Q init.(iii). pour les valeurs les plus élevées de V 0 on atteint un régime saturé: compteur Geiger-Mueller (mesure radioactivité), chambres à étincelles. 38

39 Les scintillateurs Une particule chargée ionise ou excite les atomes sur son passage. Le scintillateur fonctionne sur le principe de luminescence, c est-à-dire l émission de lumière par des atomes ou des molécules excités. lumière Le plus souvent, la lumière est transformée en un signal électrique par un photomultiplicateur. 39

40 PMT PMT Les scintillateurs 2 classes de scintillateurs muon cosmique - Inorganiques (cristaux) bonne efficacité de scintillation - Organiques (plastiques) temps de réponse rapide Cristal NaI Scintillateur plastique 40

41 2.4 Détection des particules neutres Pour détecteur une particule neutre, on utilise une réaction qui transforme l énergie de la particule neutre en énergie cinétique d une particule chargée. Cette mesure est en général DESTRUCTIVE. 1) Le cas des photons : On utilise l effet Compton ou l effet photoélectrique. Un électron énergétique est alors détecté. 2) Le cas des neutrons : On utilise une réaction de capture neutronique qui produit un ion énergétique, telles que 41

42 PMT Pic photoélectrique Spectrométrie gamma Cristal NaI Source γ 137 Cs 662 kev Evènements Compton Détecteur Germanium Ultra pur refroidi 77 K Ampli 42

43 Université Joseph Fourier Grenoble 1 L3 physique, Techniques Expérimentales pour la Physique Subatomique Chapitre 3 : Physique des hautes énergies 3.1 Accélérateurs et collisionneurs 3.2 Structure d un grand détecteur 3.3 Notion de luminosité, exemple du Higgs au LHC 43

44 Principe du cyclotron 3.1 Accélérateurs et collisionneurs 44

45 Principe du synchrotron : 3.1 Accélérateurs et collisionneurs Les particules sont accélérées dans un anneau a rayon constant dans lequel le champ magnétique augmente de façon synchrone pour maintenir l orbite. ESRF European Synchrotron Radiation Facility Circonf. anneau de stockage 844 m Energie des électrons 6 GeV SPS (Super protron sychrotron) LHC (Large Hadron Collider) Circonf. LHC 27 km Energie des protons 4000 GeV 45

46 3.1 Pourquoi un collisionneur? faisceau cible détecteur faisceau faisceau Cible fixe : Une partie de l énergie cinétique n est pas utile, elle correspond au mouvement du centre de masse. Collision de faisceaux : Toute l énergie est utile pour créer de nouvelles particules. Exemple : calcul du seuil de production d antiprotons par collision de protons (Expérience de Berkeley 1955) Réponse : Cible fixe : E faisceau > 5,63 GeV Collisions de 2 faisceaux : E faisceau > 0,94 GeV 46

47 3.1 Le collisionneur LHC 47

48 3.2 Structure d un grand détecteur : exemple d ATLAS 48

49 Exemple du détecteur ATLAS Chambre a muons (chambres à fils) Trace des muons Calorimètre hadronique (scintillateur) énergie, p... Calorimètre électromagnétique (Argon liquide) énergie, e - ~ 20 m Faisceau proton (4 TeV) Faisceau proton (4 TeV) Détecteur central (semi-conducteur) vertex de la réaction ~ 40 m Zone d interaction des 2 faisceaux Aimant toroïdal Impulsion et signe charge des particules 49

50 Structure en coupe du détecteur ATLAS Mesure trace muons Mesure énergies hadrons: n, p, p Mesure énergie photons et e + /e - Mesure traces particules chargées signe et impulsion 50

51 3.3 Exemple du Boson de Higgs Le boson de Higgs est la seule particule du modèle standard qui n a pas été observée. En particulier, on ne connait pas sa masse, elle est probablement de l ordre de 100 GeV. La collision des protons du LHC devrait produire des bosons de Higgs (H) en association avec d autres particules (X), avec une section efficace calculable dans le modèle standard. Le boson H se désintègre instantanément en paire particule-antiparticule. La désintégration en 2 photons donne une signature propre dans le détecteur. 51

52 3.3 Exemple du Boson de Higgs Probabilité pour 1 proton de produire un Higgs Nombre moyen de Higgs par collision de paquet 52

53 Notion de luminosité Fréquence de collision des paquets Taux de production de boson H Luminosité instantanée Nombre total de bosons H produits pendant un temps d acquisition T Luminosité totale accumulée 53

54 Notion de luminosité Application numérique pour 2011 : Fréquence de collision des paquets f = 20 MHz (1 collision toute les 50 ns!) Temps total de prise de données T = 5 x10 6 s (60 jours complets) On trouve une luminosité totale L = 5 fb -1 Correspondant a N tot = 5000 Pour info, le détecteur ATLAS enregistre 400 Mo de données par seconde! 54

55 Résultats de l année 2011 pour ATLAS 55

56 Pour l examen (écrit, 45 min) Connaitre les ordres de grandeur de la physique subatomique énergies en jeu, masse des particules Cinématique relativiste de base : savoir exploiter la conservation de l énergie et de l impulsion, savoir calculer l énergie seuil d une réaction. Notion de section efficace d une réaction savoir relier un flux et un taux de réaction, notion de libre parcours moyen, notion de luminosité pour un collisionneur. Les phénomènes a la base des détecteurs de particules. notion de particule d ionisation minimale (MIP), calcul du seuil de l effet Cherenkov. 56