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 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 Détecteurs de particules individuelles 2.3 Rayonnement Cherenkov 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 TEP Physique subatomique : Plan 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 a 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