historique définition détection

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1 février 2016 Étudiants rhéto / poésie International Master Class on IceCube experiment Introductory talk En physique nucléaire radioactivité Dans le rayonnement cosmique Quel genre de particules? & la physique des particules Comment les détecter? historique définition détection 1 2 1

2 Musée Curie les constituants de la matière H atomes électrons protons noyau 3 Découverte de la radioactivité minerai d uranium fluorescence son laboratoire verre d'urane ou uranyle (= oxyde d U) Pendant des siècles l'uranium a été utilisé comme pigment pour le verre 4 2

3 Etude de la radioactivité Découverte éléments : Ra Po Éléments naturels radioactifs Extrait de la thèse de Mme Curie, 1904: déflexion des rayonnements dans un champ magnétique 5 Le tableau des éléments 6 3

4 238 U (4, a) 234 Th (24,1 j) - 234m Pa (1,17min) U (2, a) 230 Th ( a) 226 Ra (1600 a) 222 Rn (3,823j) 218 Po (3,05 min) 214 Pb (26,8 min) Bi (19,7min) Famille de l uranium désintégrations en cascade! Po (1, s) 210 Pb (22,3 a) Bi (5,01 j) Po (138,4 j) 206 Pb (stable) 210 Tl (1,4 min) - 7 Le noyau de l atome 4 Nombre de masse # nucléons : p + n Nombre atomique # protons (ou e - ) 2 He Z = 1 H hydrogène Z = 6 C carbone Z = 92 U uranium A Z X élément 1 H 1 12 C U

5 isos (égal) - topos (lieu) 99,9% 0,01% traces Z=1 Hydrogène, deutérium, tritium Les isotopes 9 Z= H 2 1H H Hydrogène, deutérium, tritium Isotopes stables Z=6 Radio-isotopes 12 C 14 C datation Les radio-isotopes Uranium naturel 3 isotopes radioactifs 234 U (99,275 %) 235 U (0,720 %) 238 U (0,005 %) Z=

6 radio-isotopes = instables 1 H 1 H H Hydrogène, deutérium, tritium ou 40 K Radio-isotopes noyau instable spontanément autre noyau avec émission de rayonnement 11 Les rayonnements émis électrons - positrons + Onde électromagnétique + + Noyaux d hélium Noyau instable 12 6

7 En résumé, la radioactivité

8 Découverte du rayonnement cosmique radioactivité avec altitude pas de différence jour / nuit Viktor Hess PN 1936 Rayonnement ne peut pas provenir de la terre ni du soleil 15 Années : étude du rayonnement cosmique Protons = rayons primaires Électron e - muon µ - Photon Proton p neutron n Pion kaon K lambda antiélectron e + e+ Dirac Anderson neutrinos non détectés 16 8

9 Rayonnement primaire Le rayonnement cosmique Rayonnement secondaire 17 Le rayonnement cosmique Gerbes atmosphériques Au sol: Muons µ + µ - & neutrinos 18 9

10 Gerbe cosmique Lepton-photon Uppsala

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14 electrons/positrons photons muons neutrons 27 Interlude humoristique 28 14

15 Qu est-ce que les neutrinos? des dizaines de milliards de neutrinos dont 60 milliards émis par le soleil traversent notre corps chaque seconde & un seul est arrêté par notre corps pendant toute notre vie ils nous frappent du «dessous» pendant la nuit, après avoir traversé la terre 29 Les sources de neutrinos objets cosmiques supernova soleil rayonnement cosmique centrales nucléaires expériences de physique des particules 30 15

16 Les neutrinos, ce sont des particules qui se rapprochent le plus de "rien" sans charge et quasi sans masse qui interagissent très peu avec matière difficilement détectable probabilité qu'un neutrino de qqs MeV soit absorbé par la terre Comment a-t-on deviné l existence des neutrinos? tritium ou 40 K Radioactif noyau instable spontanément autre noyau avec émission de rayonnement + émission d un neutrino léger neutre Quasi invisible dans un détecteur! 32 16

17 Oui, les neutrinos existent Si réaction à 2 corps: He e Impulsion du noyau qui se désintègre doit être opposée à celle neutrino H He e 33 Oui, les neutrinos existent alpha E cin déterminée Énergie cinétique des : non déterminée réaction à 3 corps 34 17

18 The desperate remedy Les physiciens du neutrino Wolfgang Pauli (1931) désintégration accompagnée de l émission d une nouvelle particule: sans charge et quasi sans masse Enrico Fermi reprend hypothèse de Pauli baptise particule petit neutron ou neutrino notée

19 physique des particules : les constituants ultimes de la matière particules électrons e protons p n 37 Années accélérateurs Particule u s d Hadrons 1972 quark électron u c d s e µ 1995 t b e µ 2000 Quarks Leptons 38 19

20 3 interactions entre constituants de matière = échange de particules 3 forces électromagnétique quanta d énergie h = photons g W Z 0 39 tableau des particules élémentaires 6 quarks 6 leptons 12 bosons le modèle standard de la physique des particules 3 chargés 3 neutrinos : e µ 3 saveurs 40 20

21 tableau COMPLET des particules élémentaires H champ de Higgs masse des particules Le mécanisme de Higgs Brout-Englert 41 Interactions particules neutrinos - matière détecteur de 42 21

22 sources intenses de neutrinos détecteurs de grand volume sensible interaction préalable : e matière e autres particules ou µ matière µ autres particules ou matière autres particules 43 La détection dépend aussi de l énergie des neutrinos Oups! Proton de 1,5 ev Unité : ev électron-volt 1 ev = 1, J Physique des particules 44 Rayonnement cosmique 22

23 La détection du neutrino électronique sources intenses de neutrinos Physiciens expérimentateurs Fred Reines & Clyde Cowan PN 1995! 1951 Avaient pensé chercher les neutrinos lors de l explosion d une bombe atomique Ont finalement réalisé leur recherche auprès d un réacteur nucléaire (à fissions) Le neutrino, c'est "... la quantité de réel la plus tenue jamais imaginée par un être humain"... F. Reines e attendu : cm -2 s -1 détecté : 2-3 /h 45 La détection du neutrino muonique de Brookhaven µ N µ N µ µ N e N Neutrino detector Spark chambers Muon electron separation µ: long track e: short, multi-spark event from electromagnetic shower µ tracks 0 electron track µ e PN

24 Interlude film Environ 100 µ m -2 s détection du neutrino muonique µ µ proton proton détecteur de grand volume sensible 48 24

25 La détection du neutrino tauique + N + N suivi de + pliure caractéristique à <1 mm de l interaction indique désintégration du 2000 DONUT Direct Observation of NU 49 Dans lesquels les particules laissent des traces 50 25

26 Moniteurs de radiations Comprendre les unités : Bq (activité) 1 désintégration/sec cps (coups par seconde) dose efficace (Sv) débit de dose (Sv/heure) Procéder à des mesures de comptage: Émission de radiations du verre d urane Avec types d absorbant Radiagem 2000 : Autre moniteur de radiations () Sonde pour les particules mesureur de dose portable (pour les ) 51 La chambre à brouillard ou chambre de Wilson Principe: 52 26

27 Détecteur «maison» Pour visualiser le rayonnement cosmique atmosphérique Interlude film 53 hodoscope à muons cosmiques Pour mesurer le taux de particules cosmiques # particules par m 2 et par sec 54 27

28 hodoscope à muons cosmiques = 2 détecteurs superposés Plastique scintillant: milieu transparent qui émet une petite quantité de lumière lorsqu une particule le traverse transparent en plexi Petits flashs lumineux Photomultiplicateur : système photosensible qui transforme la lumière en signal électrique photocathode Multiplicateur d électrons

29 Faire de l astrophysique avec des neutrinos Ice3 57 Les neutrinos = messagers de l astrophysique Photons absorbés par les poussières Neutrinos directs Protons deviés par champs magnétiques Détecteur Ice

30 Extra slides 59 Dans le monde de l infiniment petit : Électron ~0,001 fm kg NB Force de gravitation négligeable Atome Carbone Noyau Carbone proton neutron ~1 fm kg = m = 1 millionième de milliardième de mètre 60 30

31 Pub Vers 1950, même après Hiroshima, l énergie atomique reste un vecteur porteur pour la publicité Publicité pour une ligne de produits de beauté parue dans Vogue en novembre 1916 Produit de beauté au thorium commercialisé dans les années

32 Front d onde What does a neutrino in water? Détection de neutrinos µ + N µ + N' + N e + N' e vpart c v t v t cos lum part Ch 1 cos n Ch 32

33 Water detectors: Concept UV visible photons emitted from a luminous cone whose angle related to n medium and part 1 cos n Ch Water detectors: Concept 33

34 67 Rayonnements ionisants interaction avec matière + + papier - Plexi-Al RP = RadioProtection x Pb Béton ou n H +Cd 68 34

35 Et voici les physiciens nucléaires 1895 W. Roentgen Etude courants dans gaz Rayons X 1er PN