11.5 : Accélérateurs et détecteurs de particules
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À la fin de cette section, vous serez en mesure de :
- Comparez et opposez différents types d'accélérateurs de particules
- Décrire le but, les composants et la fonction d'une machine à faisceau de collision typique
- Expliquer le rôle de chaque type de sous-détecteur d'un détecteur de particules polyvalent classique
- Utiliser la courbure d'une piste de charge pour déterminer la quantité de mouvement d'une particule
L'objectif de la physique expérimentale des particules est de mesurer avec précision les particules élémentaires. La principale méthode utilisée pour atteindre cet objectif consiste à produire ces particules lors de collisions à haute énergie, puis à mesurer les produits obtenus à l'aide de détecteurs de particules hautement sensibles. Ces expériences sont utilisées pour tester et réviser des modèles scientifiques d'interactions entre particules. Le but de cette section est de décrire les accélérateurs et les détecteurs de particules. Les machines modernes sont basées sur les machines précédentes, il est donc utile de présenter un bref historique des accélérateurs et des détecteurs.
Les premiers accélérateurs de particules
Un accélérateur de particules est une machine conçue pour accélérer les particules chargées. Cette accélération est généralement obtenue avec de forts champs électriques, des champs magnétiques ou les deux. L'accélérateur Van de Graaff est un exemple simple d'accélérateur de particules (voir Potentiel électrique). Ce type d'accélérateur collecte les charges sur une sphère métallique creuse à l'aide d'une courroie mobile. Lorsque la différence de potentiel électrostatique de la sphère est suffisamment grande, le champ est utilisé pour accélérer les particules à travers un tube sous vide. Les énergies produites par un accélérateur Van de Graaff ne sont pas assez importantes pour créer de nouvelles particules, mais la machine a joué un rôle important dans l'exploration précoce du noyau atomique.
Des énergies plus importantes peuvent être produites par un accélérateur linéaire (appelé « linac »). Les particules chargées produites au début du linac sont accélérées par une ligne continue de tubes creux chargés. La tension entre une paire de tubes donnée est réglée pour aspirer la particule chargée, et une fois que la particule arrive, la tension entre la paire de tubes suivante est réglée pour expulser la particule chargée. En d'autres termes, les tensions sont appliquées de telle sorte que les tubes fournissent une série de coups de pied électriques soigneusement synchronisés (Figure\(\PageIndex{1}\)). Les linacs modernes utilisent des cavités de radiofréquence (RF) qui créent des champs électromagnétiques oscillants, qui propulsent la particule vers l'avant comme un surfeur sur une vague océanique. Les linacs peuvent accélérer les électrons à plus de 100 MeV. (Les électrons dont l'énergie cinétique est supérieure à 2 MeV se déplacent à une vitesse très proche de celle de la lumière.) Dans la recherche moderne sur les particules, les accélérateurs linéaires sont souvent utilisés lors de la première phase d'accélération.
Un accélérateur linéaire conçu pour produire un faisceau de protons de 800 MeV possède 2 000 tubes accélérateurs séparés par des interstices. Quelle tension moyenne doit être appliquée entre les tubes pour obtenir l'énergie souhaitée ? (Astuce :\(U = qV\).)
Stratégie
L'énergie donnée au proton dans chaque espace entre les tubes est\(U = qV\), où q est la charge du proton et V est la différence de potentiel (tension) à travers l'espace. Depuis\(q = q_e = 1.6 \times 10^{-19}C\) et\(1 \, eV = (1 \, V) (1.6 \times 10^{-19}C)\), le proton gagne 1 eV en énergie pour chaque volt à travers l'espace qu'il traverse. La tension alternative appliquée aux tubes est chronométrée de manière à augmenter l'énergie dans chaque espace. La tension effective est la somme des tensions d'intervalle et est égale à 800 MV pour donner à chaque proton une énergie de 800 MeV.
Solution
Il y a 2 000 interstices et la somme des tensions qui les traversent est de 800 MV. Par conséquent, la tension moyenne appliquée est de 0,4 MV ou 400 kV.
L'importance
Une tension de cette amplitude n'est pas difficile à atteindre dans le vide. Des tensions d'écartement beaucoup plus importantes seraient nécessaires pour obtenir une énergie plus élevée, comme celles de l'installation SLAC de 50 GeV. Les synchrotrons sont aidés par la trajectoire circulaire des particules accélérées, qui peuvent orbiter de nombreuses fois, multipliant ainsi le nombre d'accélérations par le nombre d'orbites. Cela permet d'atteindre des énergies supérieures à 1 TeV.
Quelle quantité d'énergie reçoit un électron lorsqu'il accélère à travers une différence de potentiel de 1 V ?
- Réponse
-
1 éV
L'accélérateur de nouvelle génération après le linac est le cyclotron (Figure\(\PageIndex{2}\)). Un cyclotron utilise des champs électriques alternatifs et des aimants fixes pour accélérer les particules sur une trajectoire circulaire en spirale. Une particule au centre du cyclotron est d'abord accélérée par un champ électrique dans un espace entre deux aimants en forme de D (Dees). Lorsque la particule traverse l'aimant en forme de D, elle est courbée selon une trajectoire circulaire sous l'effet d'une force de Lorentz. (La force de Lorentz a été abordée dans la section Forces et champs magnétiques.) En supposant qu'il n'y a aucune perte d'énergie, la quantité de mouvement de la particule est liée à son rayon de courbure par
\[p = 0.3 Br \nonumber \]
où p est le moment en GeV/ c, B est en teslas et r est le rayon de la trajectoire (« orbite ») en mètres. Cette expression est valable pour les vitesses classiques et relativistes. La trajectoire circulaire renvoie la particule à l'espace de champ électrique, le champ électrique est inversé et le processus se poursuit. À mesure que la particule est accélérée, le rayon de courbure augmente de plus en plus, en spirale vers l'extérieur, jusqu'à ce que les électrons quittent le dispositif.
Regardez cette vidéo pour en savoir plus sur les cyclotrons.
Un synchrotron est un accélérateur circulaire qui utilise une tension alternative et une intensité de champ magnétique croissante pour accélérer les particules à des énergies plus élevées. Les particules chargées sont accélérées par des cavités RF et orientées et focalisées par des aimants. Les cavités RF sont synchronisées pour donner un « coup de fouet » aux particules lorsqu'elles passent, d'où leur nom. L'orientation des particules à haute énergie nécessite des champs magnétiques puissants. Des aimants supraconducteurs sont donc souvent utilisés pour réduire les pertes de chaleur. Lorsque les particules chargées se déplacent en cercle, elles rayonnent de l'énergie : selon la théorie classique, toute particule chargée qui accélère (et un mouvement circulaire est un mouvement accéléré) rayonne également. Dans un synchrotron, ce rayonnement est appelé rayonnement synchrotron. Ce rayonnement est utile à de nombreuses autres fins, telles que la recherche médicale et la recherche sur les matériaux.
Un électron est accéléré à l'aide d'un cyclotron. Si le champ magnétique est de 1,5 T et que le rayon des « Dees » est de 1,2 m, quelle est l'énergie cinétique de la particule sortante ?
Stratégie
Si le rayon de l'orbite de l'électron dépasse le rayon des « Dees », l'électron sort de l'appareil. Ainsi, le rayon des « Dees » place une limite supérieure au rayon et, par conséquent, à la quantité de mouvement et à l'énergie de la particule accélérée. Le moment de sortie de la particule est déterminé à l'aide du rayon de l'orbite et de l'intensité du champ magnétique. L'énergie de sortie de la particule peut être déterminée par le moment de la particule (relativité).
Solution
En supposant l'absence de pertes d'énergie, la quantité de mouvement de la particule dans le cyclotron est
\[p = 0.3 Br = 0.3 (1.5 \, T)(1.2 \, m) = 0.543 \, GeV/c. \nonumber \]
L'énergie du moment\(pc^2 = 0.543 \, GeV = 543 \, MeV\) étant beaucoup plus grande que l'énergie massique restante de l'électron\(mc^2 = 0.511 \, MeV\), il faut utiliser une expression relativiste de l'énergie de l'électron (voir Relativité). L'énergie totale de l'électron est
\[E_{total} = \sqrt{(pc)^2 + (mc^2)^2} = \sqrt{(543)^2 + (0.511)^2} \approx 543 \, MeV \, and \nonumber \]
\[K = E_{total} - mc^2 = 543 \, GeV - 0.511 \, GeV \approx 543 \, MeV. \nonumber \]
L'importance
L'énergie totale de l'électron est beaucoup plus grande que son énergie massique restante. En d'autres termes, l'énergie totale de l'électron est presque entièrement sous forme d'énergie cinétique. Les cyclotrons peuvent être utilisés pour mener des expériences de physique nucléaire ou en thérapie par particules pour traiter le cancer.
Une particule chargée d'un certain moment se déplace en arc de cercle à travers un champ magnétique uniforme. Que se passe-t-il si le champ magnétique est doublé ?
- Réponse
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Le rayon de la piste est coupé en deux.
Machines à faisceau entrant en collision
De nouvelles particules peuvent être créées en entrant en collision avec des particules à haute énergie. Selon la relation masse-énergie d'Einstein, les énergies des particules qui entrent en collision sont converties en énergie massique de la particule créée. Le moyen le plus efficace d'y parvenir est d'utiliser des machines à faisceau à collision de particules. Une machine à faisceau entrant en collision crée deux faisceaux contrarotatifs dans un accélérateur circulaire, stocke les faisceaux à énergie constante, puis, au moment voulu, focalise les faisceaux l'un sur l'autre au centre d'un détecteur sensible.
Le prototype de la machine à faisceau entrant en collision est l'anneau de stockage d'électrons de Cornell, situé à Ithaca, dans l'État de New York (Figure\(\PageIndex{3}\)). Les électrons (\(e^-\)) et les positrons (\(e^+\)) sont créés au début de l'accélérateur linéaire et sont accélérés jusqu'à 150 MeV. Les particules sont ensuite injectées dans l'anneau synchrotron interne, où elles sont accélérées par des cavités RF jusqu'à 4,5 à 6 GeV. Lorsque les faisceaux atteignent leur vitesse, ils sont transférés et « stockés » dans un anneau de stockage extérieur à la même énergie. Les deux poutres contrarotatives traversent le même tuyau sous vide, mais sont maintenues séparées jusqu'à ce que des collisions soient souhaitées. Les électrons et les positrons font le tour de la machine en paquets 390 000 fois par seconde.
Lorsqu'un électron et un positron entrent en collision, ils s'annihilent pour produire un photon qui existe trop peu de temps pour être détecté. Le photon produit soit une paire de leptons (par exemple, un électron et une position, un muon ou un antimuon, ou un tau et un antitau) soit une paire de quarks. Si des quarks sont produits, des mésons se forment, tels que\(c\overline{c}\) et\(b\overline{b}\). Ces mésons sont créés presque au repos puisque la quantité de mouvement totale initiale du système électron-positon est nulle. Notez que les mésons ne peuvent pas être créés à n'importe quelle énergie de collision, mais uniquement à des énergies « résonnantes » qui correspondent aux masses uniques des mésons (Tableau 11.4.3). Les mésons ainsi créés sont très instables et se désintègrent rapidement en particules plus légères, telles que des électrons, des protons et des photons. Les « fragments » de collision fournissent des informations précieuses sur les interactions entre les particules.
À mesure que le domaine de la physique des particules progresse, les machines à faisceau entrant en collision deviennent de plus en plus puissantes. Le Grand collisionneur de hadrons (LHC), actuellement le plus grand accélérateur du monde, fait entrer en collision des protons à des énergies de faisceau supérieures à 6 TeV. L'énergie du centre de masse (W) fait référence à l'énergie totale disponible pour créer de nouvelles particules dans une machine qui entre en collision, ou à l'énergie totale des particules entrantes dans le cadre du centre de masse. (Le concept d'un cadre de référence au centre de masse est discuté dans Momentum linéaire et collisions.) Le LHC est donc capable de produire une ou plusieurs particules d'une masse totale supérieure à 12 TeV. L'énergie du centre de masse est donnée par :
\[W^2 = 2[E_1E_2 + (p_1c)(p_2c)] + (m_1c^2)^2 + (m_2c^2)^2, \nonumber \]
où\(E_1\) et\(E_2\) sont les énergies totales des particules entrantes (1 et 2),\(p_1\) et\(p_2\) sont les magnitudes de leurs moments\(m_1\) et\(m_2\) sont leurs masses de repos.
La masse du\((\Upsilon\) méson upsilon\((b\overline{b})\) est créée dans un collisionneur électron-positon symétrique. Quelle est l'énergie de faisceau requise ?
Stratégie
Le Particle Data Group a indiqué que l'énergie massique restante de ce méson est d'environ 10,58 GeV. L'expression ci-dessus pour l'énergie du centre de masse peut être simplifiée car un collisionneur symétrique l'implique\(\vec{p}_1 = - \vec{p}_2\). De plus, les masses restantes des électrons et des positrons qui entrent en collision sont identiques\((m_ec^2 = 0.511 \, MeV)\) et bien inférieures à la masse de la particule d'énergie créée. Ainsi, l'énergie du centre de masse (W) peut être exprimée complètement en termes d'énergie du faisceau,\(E_{beam} = E_1 = E_2\).
Solution
Sur la base des hypothèses ci-dessus, nous avons
\[W^2 \approx 2[E_1E_2 + E_1E_2] = 4E_1E_2 = 4E_1^2. \nonumber \]
L'énergie du faisceau est donc
\[E_{beam} \approx E_1 = \frac{W}{2}. \nonumber \]
L'énergie massique restante de la particule créée lors de la collision est égale à l'énergie du centre de masse, donc
\[E_{beam} \approx \frac{10.58 \, GeV}{2} = 5.29 \, GeV \nonumber \]
L'importance
Compte tenu de l'ampleur énergétique de ce problème, l'énergie massique restante du\((\Upsilon)\) méson upsilon est due presque entièrement aux énergies cinétiques initiales de l'électron et des positrons. Ce méson est très instable et se désintègre rapidement en particules plus légères et plus stables. L'existence de la\((\Upsilon)\) particule upsilon semble indiquer une augmentation spectaculaire de tels événements à 5,29 GeV.
Pourquoi un collisionneur symétrique est-il « symétrique » ?
- Réponse
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Les particules qui entrent en collision ont une masse identique mais des moments vectoriels opposés.
Des énergies de faisceau plus élevées nécessitent des accélérateurs plus grands, de sorte que les machines modernes à faisceau entrant en collision sont très grandes. Le LHC, par exemple, a une circonférence de 17 miles (Figure 5.10.3). (Dans les années 1940, Enrico Fermi a imaginé un accélérateur qui encerclerait toute la Terre !) L'un des grands défis scientifiques du XXIe siècle est de réduire la taille des accélérateurs de particules.
Détecteurs de particules
L'objectif d'un détecteur de particules est de mesurer avec précision le résultat des collisions créées par un accélérateur de particules. Les détecteurs sont polyvalents. En d'autres termes, le détecteur est divisé en plusieurs sous-détecteurs, chacun étant conçu pour mesurer un aspect différent de l'événement de collision. Par exemple, un détecteur peut être conçu pour mesurer les photons et un autre pour mesurer les muons. Pour illustrer comment les sous-détecteurs contribuent à la compréhension de l'ensemble d'un événement de collision, nous décrivons les sous-détecteurs du solénoïde compact à muons (CMS), qui a été utilisé pour découvrir le boson de Higgs au LHC (Figure\(\PageIndex{4}\)).
Le tube de faisceau du détecteur sort (et entre) dans la page de gauche. Les particules produites par les collisions pp (les « fragments de collision ») sortent du détecteur dans toutes les directions. Ces particules rencontrent de multiples couches de sous-détecteurs. Un sous-détecteur est un détecteur de particules faisant partie d'un système plus vaste de détecteurs conçus pour mesurer certains types de particules. Il existe plusieurs types principaux de sous-détecteurs. Les dispositifs de suivi déterminent la trajectoire et donc la quantité de mouvement d'une particule ; les calorimètres mesurent l'énergie d'une particule ; et les détecteurs d'identification des particules déterminent l'identité (masse) d'une particule.
Le premier ensemble de sous-détecteurs que rencontrent les particules est le système de suivi du silicium. Ce système est conçu pour mesurer la quantité de mouvement des particules chargées (telles que les électrons et les protons). Le détecteur est baigné dans un champ magnétique uniforme, de sorte que les particules chargées sont courbées en cercle sous l'effet d'une force de Lorentz (comme pour le cyclotron). Si la quantité de mouvement de la particule est grande, le rayon de la trajectoire est grand et la trajectoire est presque droite. Mais si l'élan est faible, le rayon de la trajectoire est petit et la trajectoire est étroitement incurvée. Lorsque les particules traversent le détecteur, elles interagissent avec les détecteurs à microruban en silicium en plusieurs points. Ces détecteurs produisent de petits signaux électriques lorsque les particules chargées passent à proximité des éléments détecteurs. Les signaux sont ensuite amplifiés et enregistrés. Une série de « coups » électriques est utilisée pour déterminer la trajectoire de la particule dans le système de suivi. La « meilleure adaptation » générée par ordinateur à cette trajectoire donne le rayon de la trajectoire et donc la quantité de mouvement des particules. Au LHC, un grand nombre de traces sont enregistrées pour le même événement de collision. Les ajustements aux pistes sont indiqués par les lignes bleues et vertes de la figure\(\PageIndex{5}\).
Au-delà des couches de suivi se trouve le calorimètre électromagnétique. Ce détecteur est composé de cristaux transparents à base de plomb. Lorsque les électrons interagissent avec les cristaux, ils émettent des photons de haute énergie. Les photons interagissent avec le cristal pour produire des paires électron-positon. Ensuite, ces particules émettent davantage de photons. Le processus se répète, produisant une pluie de particules (le cristal « brille »). Un modèle grossier de ce processus est le suivant.
Un électron ayant de l'énergie\(E_0\) frappe le cristal et perd la moitié de son énergie sous forme de photon. Le photon produit une paire électron-positron, et chaque particule repart avec la moitié de l'énergie du photon. Pendant ce temps, l'électron d'origine rayonne à nouveau. Il nous reste donc quatre particules : deux électrons, un positron et un photon, chacun ayant une énergie\(E_0/4\). Le nombre de particules dans la douche augmente de façon géométrique. Après aucun événement de radiation, il y a\(N = 2^n\) des particules. Ainsi, l'énergie totale par particule après n événements de rayonnement est
\[E(t) = \frac{E_0}{2^n}, \nonumber \]
où\(E_0\) est l'énergie incidente et E (t) est la quantité d'énergie par particule après n événements. Un photon entrant déclenche une chaîne d'événements similaire (Figure\(\PageIndex{6}\)). Si l'énergie par particule tombe en dessous d'une valeur seuil donnée, d'autres types de processus radiatifs deviennent importants et la pluie de particules cesse. Finalement, l'énergie totale de la particule entrante est absorbée et convertie en signal électrique.
Au-delà du calorimètre à cristaux se trouve le calorimètre à hadrons. Comme son nom l'indique, ce sous-détecteur mesure les hadrons tels que les protons et les pions. Le calorimètre à hadrons est constitué de couches de laiton et d'acier séparées par des scintillateurs en plastique. Son but est d'absorber l'énergie des particules et de la convertir en signal électronique. Au-delà de ce détecteur se trouve une grande bobine magnétique utilisée pour produire un champ uniforme pour le suivi.
Le dernier sous-détecteur est le détecteur de muons, qui se compose de plaques de fer que seuls les muons (et les neutrinos) peuvent pénétrer. Entre les plaques de fer se trouvent plusieurs types d'éléments de suivi des muons qui mesurent avec précision la quantité de mouvement du muon. Les détecteurs de muons sont importants car le boson de Higgs (dont il sera question bientôt) peut être détecté par sa désintégration en quatre muons, d'où le nom du détecteur.
Une fois les données collectées à partir de chacun des sous-détecteurs de particules, l'ensemble de l'événement de collision peut être évalué. L'énergie de la particule est écrite
\[E_i = \sqrt{(p_ic)^2 + (m_ic^2)^2}, \nonumber \]
où\(p_i\) est l'amplitude absolue de la quantité de mouvement de la i ième particule et\(m_i\) sa masse de repos.
L'énergie totale de toutes les particules est donc
\[E_{total} = \sum_i E_i. \nonumber \]
Si toutes les particules sont détectées, l'énergie totale doit être égale à l'énergie du centre de masse de la machine à faisceau entrant en collision (W). Dans la pratique, toutes les particules ne sont pas identifiées, soit parce que ces particules sont trop difficiles à détecter (neutrinos), soit parce que ces particules « passent à travers ». Dans de nombreux cas, des chaînes entières de détérioration peuvent être « reconstruites », comme si vous remontiez une montre qui a été brisée. Les informations concernant ces chaînes de désintégration sont essentielles à l'évaluation des modèles d'interactions entre particules.