I. Interaction particule/matière. Conception d'un détecteur. Identification des particules
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- Damien Ratté
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1 Les autres peuvent vous indiquer la voie, mais vous devez la parcourir vous-même I. Interaction particule/matière & Conception d'un détecteur II. Détecteurs de traces & Identification des particules 1 / 42
2 I. Interaction particule/matière & Conception d'un détecteur II. Détecteurs de traces & Identification des particules 2 / 42
3 Introduction Remarques: Le Diable est dans les détails. (René Descartes) Tout est une question de Vocabulaire.. «Une rupture du continuum espace-temps a produit une nouvelle séquence chrono événementielle entraînant l'émergence de cette réalité alternative» (Retour vers le futur II) 3 / 42
4 Introduction 4 / 42
5 Introduction 5 / 42
6 I. Interaction particule/matière & Conception d'un détecteur 6 / 42
7 Interactions particules-matière (rappels) Trajectoire d'une particule chargée Voir l'excellent cours de P.Puzo 7 / 42
8 Interactions particules-matière Particules détectables directement Photon, électron, muon, Hadron (quarks) Hadrons(k,,p,n,...) -> Jets Matière du détecteur Atome (noyau et électron) Interaction fonction de Charge, masse, énergie,... de la particule A,Z des noyaux... de la matière Remarque: on lit (ou on parle) de collision, ce terme peut être mal interprété (ce n'est pas de la pétanque..) Interaction est plus correcte. 8 / 42
9 Interactions particules-matière Interactions Interaction électromagnétique Interaction Forte Hadrons E > GeV (?) Interaction Faible Atome (principalement les électrons du cortège): Excitation ou ionisation des électrons Diffusion élastique ou inélastique ( => diffusion multiple) Production de paires e+/e- (aussi ) Rayonnent:Bremsstrahlung,Transition, Cherenkov Photon : Compton, Photoélectrique (voir cours Calo) Négligeable excepté pour les neutrino indirectement (muon => Cherenkov) Interaction Gravitationnelle Négligeable (sauf pour...) 9 / 42
10 Interactions particules-matière Particules sont détectées à travers leurs interactions avec la matière du détecteur Ionisation (de/dx) Bremsstrahlung Effet Čerenkov Rayonnement de Transition Rayonnement Cohérent Effets perturbant la mesure Fluctuations de Landau Diffusion multiple Création de paires (e+/e-) 10 / 42
11 Interactions particules-matière Particules sont détectées à travers leurs interactions avec la matière du détecteur Ionisation (de/dx) Bremsstrahlung Effet Čerenkov Rayonnement de Transition Effets perturbant la mesure Fluctuations de Landau Diffusion multiple Création de paires (e+/e-) 11 / 42
12 Interactions particules-matière écrantage PDG 2012 : 30. Passage of particles through matter fig 30.1 page /06/ / 42
13 Interactions particules-matière Formule de Bethe-Bloch : Ionisation (de/dx) Remarques: Hans Bethe calcul (non- et relativiste) LO Felix Bloch corrections d'ordre supérieur Enrico Fermi Ecrantage Formule ok ~MeV->~ TeV, [entre crochet] légèrement différente pour les e -/+ 15/06/ / 42
14 Interactions particules-matière Calcul 14 / 42
15 Interactions particules-matière Il existe une énergie critique Ec différente selon les particules (e, μ, γ) Ecγ ~1 MeV Ece de ~10 MeV à 300 MeV, Ecμ > 100 GeV Au dessous de Ec les pertes d énergie des particules chargées (e, μ) se font par ionisation -formule de Bethe-Bloch Au dessus de Ec les pertes d énergie se font par rayonnement : Processus : γ e + e- ou/et e+/- e +/- γ caractérisées par une longueur de radiation :X0 (transparence du milieu) Hadrons perdent de l énergie par Bethe-Bloch et par interactions fortes longueur d interaction λ (+ grande que X0 au delà de Z>6) (absorption du milieu) 15 / 42
16 Interactions particules-matière Bremsstrahlung Interaction avec le champ électrique des atomes Mécanisme principale de perte d'énergie pour les électrons (>10 MeV) Les particules chargées sont accélérées ou décélérées par le champ électrique de l'atome et donc produisent un rayonnement Important pour les électrons >100 GeV pour les muons electron e e electron Ze Photon Bremsstrahlung atome 16 / 42
17 Interactions particules-matière Effet Čerenkov Particule relativiste chargé traversant un milieu d'indice de refraction n > 1/β Relativiste signifie que la particule se déplace plus vite que la lumière dans le milieu La Particule émettra une radiation Cherenkov tangent à cône d'angle θc autour de la trace: cosθc = 1/nβ La radiation est due à la polarisation du milieu et une variation dynamique du moment dipolaire des molécules du milieu i.e. Eau nombre de photons # Z2sin2 C (Frank-Tamm) θ n >1/β θc Particule chargé avec β 17 / 42
18 Interactions particules-matière Effet Čerenkov miniboon 18 / 42
19 Interactions particules-matière Rayonnement de transition # 2 2 Particule chargée change de milieu Discontinuité de l'indice de réfraction Émission de photons (~KeV) à la frontière entre les milieux Nombre de photons croient avec le nombre de Transitions γ (=1/sqrt(1-v /c )) Compromis à trouver avec l absorption Rayonnement de transition + de/dx En pratique Identifie les électrons contre le reste du monde 19 / 42
20 Interactions particules-matière Rayonnement de transition Feuille (polarisé) Schéma de principe Electron boost γ Air (non polarisé) Photons E ~ 8 kev Dipole électrique Radiation si γ > 1000 & > 100 transitions Détecteur ++ + Radiateur support : tous les photons de RT sont absorbés 20 / 42
21 Interactions particules-matière Rayonnement de transition Probability to exceed threshold Exemple : Atlas TRT test beam & data 2 GeV 180 GeV 180 GeV 2 GeV 180 GeV 2 GeV γ factor 21 / 42
22 Interactions particules-matière Particules sont détectées à travers leurs interactions avec la matière du détecteur Ionisation (de/dx) Bremsstrahlung Effet Čerenkov Rayonnement de Transition Effets perturbant la mesure Fluctuations de Landau Diffusion multiple Création de paires (e+/e-) 22 / 42
23 15/06/ / 42
24 Interactions particules-matière Réalité Calcul Gamme d'énergie : ~0.1-->~10 GeV 24 / 42
25 Interactions particules-matière En traversant de la matière les particules chargées subissent de la diffusion Coulombienne Diffusion multiple : perturbation de la détection Déflexion de la trajectoire de la particule par le milieu Minimiser la matière pour le trajectographe 25 / 42
26 Interactions particules-matière Conversions (création de paires e+e-) Perturbations & Outils diagramme de Feynman conversion de photon e+e- 26 / 42
27 I. Interaction particule/matière & Conception d'un détecteur 1. Introduction 2. Généralités 3. Détecteurs 27 / 42
28 1.Introduction Biais principal : les expériences auxquels j'ai participé Auprès de collisionneur LHC (Atlas, CMS...), Fermilab (CDF, D0), LEP (Delphi, Aleph,...) les expériences auxquelles j'aurai pu participé Hors accélérateur Super Kamiokande, Antares... Espace Détecteur embarqué i.e. : AMS2 Les Trucs dont je ne dirai rien (à tort!) Médical Industriel 15/06/2011 Scanner, IRM, PetScan, hadron thérapie Scan conteneurs... Conception d'un détecteur 28 / 42
29 Conception d'un détecteur 1. Introduction 2. Généralités 3. Détecteurs 15/06/2011 Conception d'un détecteur 29 / 42
30 2. Généralités Définition Appareil destiné à déceler la présence d'un phénomène et éventuellement à la mesurer Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été spécifiquement conçu. Des fonctions supplémentaires peuvent apporter des précisions qualitatives ou quantitatives sur la nature du phénomène observé 15/06/2011 Conception d'un détecteur 30 / 42
31 2. Généralités Exemples simples: Sable (trace) : Principe du détecteur de «trace» Mesure qualitative & quantitative Œil (détecteur): Sympa, facile à utiliser Gamme d'énergie limité Difficulté de récupérer l'information 15/06/2011 Conception d'un détecteur 31 / 42
32 2. Généralités 23 MeV positive 6mm Pb Exemple en Physique: Trace (sable) : Chambre à brouillard (bulles...) 63 MeV positive Photographie (œil) Conservation de l'information Remarque : Champ magnétique a permis l'identification Découverte du positon C.Anderson 1932 (prédit par P.Dirac 1928) 15/06/2011 Conception d'un détecteur 32 / 42
33 2. Généralités Principes utilisés Champs électriques pour accélérer les charges E Création d'avalanche de charge : amplification du signal Camps magnétiques pour courber le parcours des charges Séparation de charge, mesure de quantité de mouvement E=100 ev 15/06/2011 N S V Détécteur de traces/identification des partic 33 / 42
34 2. Généralités Principe: Capteur (sable): fourni un courant Intégral du courant fournit la charge transférée au capteur Cette charge totale est proportionnelle à l'énergie absorbée par le capteur donc à l'énergie perdue par la particule à travers le capteur. Système d'acquisition (œil) Signal (analogique) Mise en forme (shaping) Numérisation (digitization) Conservation (disque) 15/06/2011 Conception d'un détecteur 34 / 42
35 2. Généralités Définir son domaine d'utilisation Pour quelles applications? Industriel, Recherche,... Pour quelle Physique? Particules à détecter: gamme d'énergie Optique Nucléaire (quelques MeV) Particules du MeV (masse du neutrino) au TeV (plus?) Performances en qualité de précision spatiale Vitesse de réponse Type de particules sur lesquelles on veut mettre l'accent Chargée (champ magnétique) Neutre Faible interaction avec la matière => volume? Simplicité / coût 15/06/2011 Conception d'un détecteur 35 / 42
36 2. Généralités Mesurer J/ψ Énergie Impulsion Charge masse Identifier Directe Électron, muon, pion, photon... Indirecte Masse invariante 15/06/2011 Conception d'un détecteur h γγ 36 / 42
37 2. Généralités Remarques: Informations portent sur les particules à durée de vie «longue» z,w,top,...ne sont pas identifiés directement ttbar->wbwb->2jets+2l+etmiss Simulation Indispensable Système de déclenchement (trigger) Mesure est destructive! (sauf pour le muon et neutrino) Redondance ex : énergie + trace dans champ magnétique Détecteurs «n interfèrent» pas entre eux ex : matière du trajectographe vs mesure d'énergie du calo Bruit de fond 15/06/2011 Physique, Collision, détecteur (électronique), cosmiques... cosmique = <- Z,W,top,... Conception d'un détecteur 37 / 42
38 2. Généralités Interlude de physique au LHC 1019 GeV Planck Scale (MPl) 1016 GeV GUT? 1014 GeV νr? 10 TeV 1 TeV 100 GeV 10 GeV 1 GeV 100 MeV 10 MeV 1 MeV 100 kev 10 kev 1 kev 100 ev 10 ev 1 ev 100 mev 10 mev 15/06/2011 Pour comprendre cette partie New Physics? t, H0, Z0, W+/ψ, ϒ, B τ, n, p, ρ, φ µ, π nuclear binding E e On détecte cette partie atomic binding E ν s? Conception d'un détecteur 38 / 42
39 2. Généralités 10 ordres de grandeurs Interlude de physique au LHC Tu es là, dans le foin g q g q Quark-flavour production High-pT QCD jets g g W, Z production q W,Z q Tu cherches une aiguille ici g gluon-to-higgs fusion t H g 15/06/2011 g q% g q% Conception d'un détecteur 0 squarks, gluinos (m ~ 1 TeV) 39 / 42
40 2. Généralités Interlude de physique au LHC Proton Proton 15/06/2011 Conception d'un détecteur 40 / 42
41 2. Généralités Interlude de physique au LHC Système de déclenchement : «Trigger» Trier les événements 2 types de détecteurs : Précis (résolution spatiale) mais lent Moins précis mais rapide 15/06/2011 Conception d'un détecteur 41 / 42
42 Conception d'un détecteur 1. Introduction 2. Généralités 3. Détecteurs 15/06/2011 Conception d'un détecteur 42 / 42
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