Cargèse 25 au 31 mars 2007

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1 Cargèse 25 au 31 mars 2007 Ecole des techniques de base des détecteurs Pascal Vincent Université Pierre et Marie Curie LPNHE, Paris 1

2 Les systèmes de détection 2

3 Types de détecteurs On peut les classer suivant : L interaction Le milieu détecteur La fonction attendue pour la physique (mesure de grandeurs physiques) 3

4 Suivant la fonction La position : Identification : Les scintillateurs Imageurs Cherenkov Compteurs proportionnels Les chambres d ionisation Chambres à dérive Systèmes Les dét. à radiation de transition Comptage : Chambre a décharges Les Geiger Muller Les émulsions nucléaires Compteurs Cherenkov Les semi-conducteurs Les scintillateurs Energie et impulsion : photomultiplicateurs Les scintillateurs photomultiplicateurs Les semi-conducteurs bolomètres Détecteurs Cherenkov Calorimètres et spectromètres (champs magnétiques) 4

5 Mesure de la position 5

6 Chambre d'ionisation Ionisation d un milieu gazeux : E x dx = + Sur une distance de détecteur dx une particule chargée perdra une énergie E. cette particule ionise le milieu et le nombre moyen de charges positives et négatives créées dépend du potentiel d ionisation W caractéristique du milieu : x de dx dx Anode Gaz Cathode E W n = Q = o en o Gaz Air W (ev) 35,0 Argon 26,6 BF 3 33,8 6

7 Mesure de la position dans une chambre proportionnelle Particule Chargée Cathode Anode Anode r c ra R Signal +U 0 Cathode Mesure 7

8 Mesure de la position dans une chambre proportionnelle Contrairement aux chambres d ionisations, le champs électrique dans la chambre n est pas constant. E( r) U 0 1 r Particule Chargée r a r 0 r i R +U 0 Signal Aux voisinages de l anode le champs diverge. La particule est fortement accélérée. Elle gagne de l énergie. ma = F = qe F( r) 1 r r 8

9 Mesure de la position dans une chambre proportionnelle Q = e n0 A E Le facteur A est le facteur de multiplication de la chambre. Une formule empirique est donnée par la relation : ln A = V ln 2 V ra ri V ln ln( ) pri ln( ra r ln i ) K A e V 9

10 Mode d avalanche Lorsque la tension augmente l avalanche se développe dans tout le volume de la chambre : mode Geiger-Muller La charge collectée ne dépend plus de l énergie de la particule incidente. Le mode Geiger-Muller permet un comptage des particules. Un mode déclenché permet de retrouver cette proportionnalité (chambre à dard «streamed chamber»). 10

11 Détecteurs à gaz Les différents modes de fonctionnement d une chambre à gaz en fonction de la tension appliquée 11

12 Evolution des chambres Compteur proportionnel 1 points dans l espace «n»points Chambre multi-fils proportionnel : MWPC 12

13 Chambre multi-fils meilleur résolution spatiale : méthode de reconstruction barycentrique. 13

14 Détecteurs à gaz Les chambres à étincelles 14

15 La chambre à projection temporelle Chambre à projection temporelle de l expérience DELPHI du CERN 15

16 Détecteurs solides 16

17 Ionisation et excitation Gaz rares : ionisation assurée mais potentiel important. Solides : plus de niveaux, potentiel d ionisation + faible. Gaz ~20 ev } } libres occupés { { Bande de conduction : électrons mobiles Solides Isolant ½-cond conducteur ~6eV ~1eV Bande de valence: électrons lies σ 17

18 Les semi-conducteurs Dopage N: donneur en charges négatives migration des charges négatives Application d un champ E int externe : création d une zone déplété Dopage P: receveur de charges négatives P N - E ext 18

19 Principe d une jonction + Anode Une Particule chargée ionise le milieu déplété. Les charges négatives sont collectées par l anode et produisent un signal détectable. P N E ext Détecteur rapide et de bonne résolution spatiale Cathode 19

20 Micro vertex 20

21 Détermination de la charge et de l impulsion 21

22 Détermination de la charge et l impulsion Il faut reconstruire la trajectoire de la particule dans un champ magnétique : r 2 r V r r r F r +q F = ma = m i = qv B B r R mv P R = = V r qb qb -q La courbure de la trajectoire donne une mesure de l impulsion Les sens de la courbure détermine le signe et de charge 22

23 Mesure de l énergie 23

24 Gerbes électromagnétiques À haute énergie (GeV), les électrons perdent leurs énergies presque exclusivement par rayonnement de freinage et les photons perdent les leurs par production de paire. Le seuil correspond à l énergie critique définit par : La combinaison de ces deux effets résulte en la formation d une gerbe électromagnétique quand un électron ou un photon entre dans un milieu dense. ( de dx) ( de dx) Electrons et photons rad ion ~ 1 24

25 Gerbes hadroniques Milieu absorbeur Composante électromagnétique Composante hadronique Hadrons (protons, ions, neutrons ) Ion 25

26 Détecteurs homogènes 26

27 Détecteurs à échantillonnage Absorbeur Plomb, Tungstène, Uranium Particule incidente Détecteur scintillateur, silicium, liquide noble 27

28 Identification des particules 28

29 Compteur Cherenkov à seuil Il donne un signal seulement pour les particules dont β > β th Il sont utilises, par exemple, pour identifier un certain type de particule dans un faisceau mixte Dans le cas d'un milieu gazeux, l'indice de reflection et donc le seuil peut être ajuster par control de la pression : n = n 0. (P/P 0 ) p, π +, e + exemples : PM milieu indice ρ p(938) π(139) e(0.511) eau GeV 211 MeV 776 kev hélium GeV 17. GeV 62.8 MeV 29

30 Compteur Cherenkov différentiel L'utilisation d'un miroir permet de sélectionner un intervalle en β (ce qui correspond, pour une impulsion donnée à un intervalle de masse). L angle d émission de la lumière Cherenkov augmente avec l énergie du faisceau. 30

31 VD TPC ECAL HCAL Ch µ 1 trace + ECAL>>HCAL 1 trace + ECAL <<HCAL(Ch µ) e +, e - α, p, K ± ECAL<<HCAL(Ch µ) n, K 0 L γ ECAL µ - ν Energie manquante dirigée vers une partie instrumenté B r 1 trace(+ecal+hcal)+chµ 31

32 32 Z 0 µ + µ - Reconstruction de vertex ( ) ( ) ( ) ? 2 2 2? 4 4 µ µ µ µ µ µ µ m P E m E E P P m E E f CM i CM + = = + + = = + + r r Z 0

33 Détecteur 4π 33