Sommaire

Les détecteurs de particules

La nécessité des détecteurs

La collision de particules

Les interactions ayant lieu dans les accélérateurs sont trop furtives pour être mesurées directement. Cependant, grâce aux effets de dilation du temps et aux lois de conservation, il va être possible de déterminer les caractéristiques de l'événement, à condition de mesurer précisément les particules traversant le détecteur.

Un détecteur est un instrument qui donne des informations sur le passage d'une particule (spatiale, temporelle, énergétique ...) en transformant la perturbation microscopique en un effet macroscopique grâce à une amplification qui peut être intrinsèque ou externe. On cherchera dans un premier temps à mesurer en perturbant au minimum les particules, avant de recourir à des méthodes destructives.

Au vu des énergies mises en jeu, seules les particules suivantes vivent assez longtemps pour traverser tout ou partie des détecteurs placés à une distance variant de quelques centimètres à plus de 10 mètres de la zone d'interaction : neutrino, photon, électron, muon, pion, kaon, proton, neutron. On peut ainsi mesurer la quantité de mouvement par le rayon de courbure de la trajectoire et le signe de la charge par le sens de rotation.

Le principe d'un détecteur

En associant judicieusement différentes couches de détecteurs, il va être possible de signer la nature de la particule en fonction de ses interactions avec la matière. Dans l'idéal, un détecteur :

  • Aurait une couverture totale de l'angle solide autour du point d'interaction : grande acceptance
  • N'aurait aucune zone morte : pas de crack
  • Détecterait toutes les particules : grande efficacité de détection
  • Mesurerait précisément leur trajectoire : grande résolution sur la mesure de la quantité de mouvement
  • Mesurerait précisément leur énergie : grande résolution sur la mesure de l'énergie
  • Identifierait la masse et la charge : grande précision
  • Le tout avec un temps de réponse très court et aucun temps mort

Les détecteurs réels fonctionnent évidemment un peu moins bien ... En pratique, on ne détecte les particules que par leur interaction avec la matière. Il est important de noter qu'on ne voit pas directement une particule, on mesure seulement les effets de son passage dans la matière sous la forme d'excitation ou d'ionisation, principalement par interaction électromagnétique.

Les premières chambres

La chambre à brouillard

La chambre à brouillard

Une chambre à brouillard est un détecteur de particules dans lequel l'ionisation produite par le passage d'une particule chargée dans un gaz saturé en vapeur provoque la formation de gouttelettes de condensation le long de la trajectoire. Cela permet de la visualiser et de la photographier.

Chaque type de particule (proton, électron, positon) produit une trace caractéristique qui permet de l'identifier. Inventée en 1912 par le physicien écossais Charles Wilson, utilisée jusque dans les années 1950, la chambre à brouillard a été supplantée par la chambre à bulles, plus performante.

La chambre à bulles

Les traces laissées par les particules

En 1932, Glaser met au point un nouveau type de détecteur, qui permet comme la chambre à brouillard de Wilson de visualiser les trajectoires des particules chargées.

L'histoire raconte que Glaser s'interrogeait sur la source des bulles alors qu'il était en train de boire un verre de bière. Il en comprend l'origine et trouve un milieu métastable adapté à l'observation des particules de haute énergie : l'hydrogène liquide.

Les particules chargées créent des bulles sur leur passage lorsque le piston est tiré. Le tout est placé dans un champ magnétique qui permet de mesurer la charge et la quantité de mouvement des particules. Cependant, les chambres à bulles présentent plusieurs inconvénients :

  • Un temps mort important
  • Un traitement manuel des données
  • Uniquement des collisions sur proton ou électron
  • Pas de déclenchement sur un type d'événement donné
  • Pas adapté à une recherche d'événements rares

Ce sont, entre autres, les raisons qui décidèrent de leur abandon.