Mode d'emploi d’un détecteur

La fonction d’un détecteur est d’enregistrer et de visualiser les explosions de particules résultant des collisions dans les accélérateurs

Les accélérateurs portent les particules à de très hautes énergies avant de les faire entrer en collision au centre de détecteurs. La collision produit de nombreuses particules. La fonction d’un détecteur est de collecter des informations sur ces particules telles que la vitesse, la masse et la charge afin que les physiciens puissent les identifier. Pour ce faire les détecteurs sont dotés d'aimants puissances et de couches superposées de différents sous-détecteurs.

Les particules issues de collisions filent en ligne droite, mais un champ magnétique courbe leur trajectoire. Les détecteurs comportent donc un ou plusieurs électro-aimants. À partir de la courbure de la trajectoire, les physiciens peuvent calculer l’impulsion de la particule, ce qui les aide à l’identifier. Les particules à impulsion élevée se déplacent quasiment en ligne droite, alors que celles à impulsion plus faible se décrivent de petites spirales.

Un détecteur de particules moderne est composé de couches de sous-détecteurs, chacun étant spécialisé dans un type de particule ou une propriété. Il existe trois grands types de sous-détecteurs : les trajectographes, qui révèlent la trajectoire des particules chargées, les calorimètres, qui arrêtent les particules et absorbent leur énergie, ce qui permet de mesurer celle-ci, les identificateurs de particules, qui identifient le type de la particule à l'aide de techniques diverses.

 

Les trajectographes

Les trajectographes, ou détecteurs de traces, révèlent la trajectoire des particules chargées électriquement : les particules interagissent avec les matériaux du trajectographe, comme du silicium par exemple. La plupart des trajectographes ne rendent pas les traces des particules directement visibles. Ils produisent de faibles signaux électriques enregistrés comme des données informatiques. La configuration des traces est ensuite reconstituée par ordinateur.

La « chambre à muons » est un trajectographe utilisée pour détecter les muons. Les muons n’interagissent que très peu avec la matière et peuvent se déplacer sur de longues distances, même à travers plusieurs mètres de matériau dense. C'est pourquoi les chambres à muons constituent en général la couche la plus externe.

Les calorimètres

Un calorimètre mesure l’énergie perdue par les particules qui le traversent. Il est généralement conçu pour stopper totalement ou « absorber » la plupart des particules rissues d'une collision, les forçant à déposer toute leur énergie à l’intérieur du détecteur. En général, les calorimètres sont constitués de couches d'un matériau de haute densité « passif » ou « absorbant » (du plomb par exemple) intercalées avec des couches d'un milieu « actif » tel que du verre au plomb solide ou de l'argon liquide.

Les calorimètres électromagnétiques mesurent l'énergie des particules légères - électrons et photons - qui interagissent avec les particules chargées à l'intérieur de la matière.

Les calorimètres hadroniques échantillonnent l'énergie des hadrons (particules contenant des quarks, telles que des protons et des neutrons) qui interagissent avec les noyaux des atomes.

Les calorimètres stoppent la plupart des particules connues, à l'exception des muons et des neutrinos.

Les identificateurs de particules

Il existe par ailleurs des méthodes d’identification des particules grâce au rayonnement qu'eles peuvent émettre en traversant un milieu spécifique.

Le rayonnement Tchérenkov : il s’agit d’une lumière émise lorsqu’une particule chargée se déplace plus vite que la vitesse de la lumière dans un milieu donné. La lumière est émise à un certain angle, en fonction de la vitesse de la particule. Si l’on connaît l’impulsion de la particule, on peut, à partir de cette vitesse, déterminer sa masse, et donc l’identifier.

Le rayonnement de transition : ce rayonnement est produit par une particule rapide chargée lorsqu'elle traverse la limite entre deux matériaux présentant des résistances électriques différentes. Ce phénomène est corrélé à l’énergie d’une particule et permet d’en distinguer les différents types.

Tous les indices collectés dans les différentes parties du détecteur permettent aux physiciens de reconstituer ce qui s'est passé au moment de la collision. A partir de là, ils peuvent déceler de nouvelles particules ou trouver des résultats en désaccord avec la théorie actuelle.

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