Les détecteurs des rayonnements ionisants

Paramètres caractéristiques d’un détecteur

L’efficacité de détection: c’est le rapport du nombre de particules détectées aunombre de particules reçues par le détecteur. L’efficacité dépend donc de la nature et de l’énergie du rayonnement.
Le temps mort: c’est le plus petit intervalle de temps entre deux informations pour que chacune d’entre elles soit prise en compte par le système
Le mouvement propre: c’est le taux de comptage enregistré en absence de toute source de rayonnement
Les caractéristiques géométriques: elles définissent la forme du détecteur, l’importance de sa surface sensible et sa directivité.

Les détecteurs à gaz ou à ionisation

Les détecteurs à ionisation, ou aussi appelé détecteur à gaz sont parmi les plus anciens détecteurs de particules, mais sont toujours d’actualité. De part la grande mobilité des électrons et des ions dans un gaz, celui-ci est le milieu idéal pour collecter les ionisations provenant de radiations qui le traversent.
Les détecteurs de bases, c’-à-d la chambre à ionisation, le compteur proportionnel et le compteur Geiger-Müller sont de bons exemples pour les phénomènes d’ionisation dans les gaz. Ces trois détecteurs sont en fin de compte le même instrument fonctionnant avec différents paramètres. La configuration de base est donnée dans la Figure 6 suivant.
Les détecteurs de germanium ont une structure de jonction pin. Le rayonnement est détecté dans la partie intrinsèque. Ce sont des détecteurs chers, surtout s’ils sont gros ce qui est nécessaire pour arrêter des gammas de grande énergie. Ils doivent fonctionner et être conservés à la température de l’azote liquide pour diminuer le bruit de fond car le gap du germanium (0.66 eV à 300K) est plus faible que celle de silicium (1.2 eV) [20].
On utilise deux types de détecteur au germanium. Le premier, appelé le Ge(Li) est dopé au lithium. Le lithium dérive depuis la surface extérieure d’un cristal cylindrique d’un germanium de type p et formera une couche cylindrique autour du germanium. La sensibilité de ce détecteur est limitée par l’épaisseur de la couche morte du cristal. Plus récemment, on a développé des germaniums dits intrinsèques, où la quantité d’impureté est très faible, de l’ordre d’atomes/cm. Ces détecteurs sont des germaniums de type n, plus facile à fabriquer et à utiliser.
Dans de nombreuses application il est avantageux d’utiliser des détecteurs solides car leur dimension son beaucoup plus faible que celle des détecteurs gazeux d’efficacité équivalent, du faite de leurs densités environ 1000 fois supérieure. Les détecteurs à scintillation présentent des caractéristiques intéressant pour la détection des rayonnements nucléaires mais leurs résolutions en énergie sont intrinsèquement limitées par le faible nombre de photoélectrons recueilli dans le photomultiplicateur conduisant à des fluctuations statistiques importantes.

Détection du Boson de Higgs par le détecteur ATLAS du LHC (CERN)

Le Boson de Higgs ou le boson BEH (Brout-Englert-Higgs)

Le Boson de Higgs ou le boson BEH (Brout, Englert, Higgs, les initiales de ses trois découvreurs) est une particule élémentaire instable qui n’existe que pendant une infime fraction de seconde avant de se désintégrer en d’autre particule ; les expériences l’observent donc en mesurant les produits de sa désintégration. C’est en 1964 que l’hypothèse de l’existence du boson de Higgs avait été formulée pour la première fois, de manière indépendante par Robert Brout, François Englert, Peter Higgs, Carl Richard Hagen, Gerald Guralnik et Thomas Kibble. Il représente l’explication la plus cohérente du fonctionnement de l’univers dans l’état actuel des connaissances. En outre une caractéristique essentielle de l’univers se trouve expliquée : le fait que les particules qui nous constituent ont une masse tandis que d’autres particules comme le photon, n’en ont pas : les premiers ont interagi avec le BEH alors les secondes l’ont ignoré ! Cela s’est passé lorsque l’univers était âgé de 10-10 secondes par une température frôlant les 1015 degrés Celsius. Puis que l’univers s’est refroidi et le Boson de Higgs a disparu [21].
Les propriétés du Boson de Higgs sont calculées au sein du modèle standard (SM) de la physique des particules, cette théorie de physique qui donne une description extrêmement précise de la matière et qui a résister à toutes les expériences. Dans ce cadre, le Boson de Higgs se désintègre en une panoplie de combinaison de particules qui évolue en fonction de la masse.

Le LHC et le détecteur ATLAS

Le LHC

Le Grand Collisionneur de Hadrons ou le LHC (Large Hadron Collider en anglais) est un collisionneur proton-proton installé au CERN (l’Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) dans le tunnel creusé initialement pour le LEP (large Electron Positron collider), Collisionneur Electron Positron. Le LHC est situé dans un anneau de 27 kilomètres et enterré à 100 mètres sous terre à la frontière franco-suisse, prés de Genève. Le LHC est désormais le plus puissant des accélérateurs de particules au monde. Des protons (ou des ions) de très haute énergie circulant dans deux faisceaux tournants à contre-sens se choque les uns contre les autres dans le but de rechercher des indices de la super symétrie, de la matière noire et de l’origine de la masse des particules élémentaires [24].
En fonctionnement nominal, les faisceaux sont composés de 2808 paquets de protons contient chacune 1011 protons, mais lors d’une collision seule une infime partie des protons entre en collision. Les paquets ne sont régulièrement espacés mais forme des trains de 72 paquets, aux seins des quels ils sont séparés de 25 nanosecondes. Voyageant quasiment à la vitesse de lalumière, ils sont injectés, accélérés, et maintenus en circulation pendant des heures, guidés par des milliers d’aimants supraconducteurs puissants.
Dans la majeure partie de l’anneau, les faisceaux voyagent dans deux lignes sous vide séparées, mais en quatre points d’interactions, ils se heurtent au cœur des expériences principales, appelées ATLAS, CMS, ALICE et LHCb figure14. L’énergie des protons (ou des ions) est transformée au moment du choc en une myriade de particules exotiques, que les détecteurs de ces quatre expériences observent avec attention.
Les détecteurs pourront voir jusqu’à 600 millions de collisions par seconde et les expériences scrutent déjà les données pour y déceler les signes d’événements extrêmement rares, tels que la création du très recherché boson de Higgs [25].

Le détecteur ATLAS

ATLAS (A toroidal LHC ApparatuS) dispositif instrumental toroïdal pour le LHC est une expérience de la physique des particules au près du grand collisionneur de proton (LHC) du CERN. ATLAS est en collaboration avec CMS (Compact Muon Solinoid) est l’un des deux détecteurs généraliste du LHC. Placé au point de collision N0 1, situé dans une caverne à 90 msous terre, de forme cylindrique, mesurant environ 44 m de long et 25 m de haut et pesant 7000 tonnes, le détecteur ATLAS est le détecteur de particules le plus volumineux jamais construit. Le détecteur ATLAS permet de rechercher de nouveau phénomène produit lors decollision frontales d’hadron à une énergie extraordinaire. ATLAS étudie les forces fondamentales qui ont forgés notre univers depuis l’origine des temps et qui détermineront son destin. Le Boson de Higgs, dimension supplémentaire de l’espace, l’unification des forces fondamentales, la matière noire sont sur la liste des inconnus recherchés. Les interactions produites dans les détecteurs d’ATLAS créent un énorme flux de données. Pour assimiler ces données, ATLAS utilise un système de « déclenchement » de pointe, qui indique au détecteur les événements devant être enregistrés et ceux devant être ignorés. Des systèmes complexes d’acquisition de données et de calcul sont gensuite utilisés pour analyser les événements enregistrés.
Les faisceaux de particules du LHC entrent en collision au centre du détecteur ATLAS. Les débris de collision ainsi produits forment de nouvelles particules, qui émergent du point de collision dans toutes les directions. Le détecteur ATLAS est schématisé sur la figure11 suivant :

la détection du boson de Higgs

Le boson de Higgs est une particule très instable qui n’existe que pendant une infime fraction de seconde avant de se désintégrer en d’autres particules. Les expériences l’observent donc en mesurant les produits de sa désintégration. C’est ainsi que ATLAS a concentré ses efforts sur des canaux pour découvrir le boson de Higgs: les désintégrations du Higgs en deux photons ou en quatre leptons (figure16). La désintégration d’une particule s’apparente beaucoup à faire de la monnaie pour une pièce. Si le boson de Higgs était une pièce d’un euro, il pourrait se briser en différentes pièces de monnaie plus petites. Jusqu’à présent, le distributeur de monnaie semblait seulement donner la monnaie en quelques façons particulières. On a maintenant démontré qu‘il existe une façon supplémentaire.
La valeur du champ de Higgs dans le vide est une valeur déterminée expérimentalement car elle est directement reliée à la constante de Fermi GF. Elle vaut approximativement 246GeV.
Cette valeur est caractéristique de l’échelle d’énergie à laquelle la brisure électrofaible se manifeste. Elle est au cœur du domaine en énergie atteint dans les collisions proton-proton du LHC. Le détecteurs ATLAS a été principalement conçu dans l’optique de la découverte du boson de Higgs. Leurs performances ont été optimisées pour les rendre sensibles à la production du boson de Higgs au taux prévu par le Modèle Standard. Malgré une énergie dans le centre de masse environ deux fois inférieure à l’énergie nominale durant les trois premières années de prise de données, les analyses menées par l’expérience ATLAS a été capables d’atteindre cette sensibilité sur un intervalle de masse assez important (entre 100GeV et 600GeV). Ce travail a été récompensé par la découverte d’un signal compatible avec un boson de Higgs du Modèle Standard. Le boson de Higgs se couplant à toutes les Hadrons neutres + léger dépôt énergétique +++ gerbe particules massives du Modèle Standard, sa recherche peut s’effectuer dans de nombreux canaux de désintégration. La découverte de cette nouvelle particule par les deux expériences ATLAS et CMS, annoncée le 4 juillet 2012 [28,29], repose sur l’étude de trois canaux de désintégration : Le canal H → W +W − (avec une désintégration lépontique de chaque W), le canal H → ZZ (chaque Z se désintégrant en deux leptons) et le canal H → γγ (dans le cadre du Modèle Standard, ce mode de désintégration nécessite une boucle de W ou un triangle de fermions).

la détection du boson de Higgs

Le boson de Higgs est une particule très instable qui n’existe que pendant une infime fraction de seconde avant de se désintégrer en d’autres particules. Les expériences l’observent donc en mesurant les produits de sa désintégration. C’est ainsi que ATLAS a concentré ses efforts sur des canaux pour découvrir le boson de Higgs: les désintégrations du Higgs en deux photons ou en quatre leptons (figure16). La désintégration d’une particule s’apparente beaucoup à faire de la monnaie pour une pièce. Si le boson de Higgs était une pièce d’un euro, il pourrait se briser en différentes pièces de monnaie plus petites. Jusqu’à présent, le distributeur de monnaie semblait seulement donner la monnaie en quelques façons particulières. On a maintenant démontré qu‘il existe une façon supplémentaire.
La valeur du champ de Higgs dans le vide est une valeur déterminée expérimentalement car elle est directement reliée à la constante de Fermi GF. Elle vaut approximativement 246GeV.
Cette valeur est caractéristique de l’échelle d’énergie à laquelle la brisure électrofaible se manifeste. Elle est au cœur du domaine en énergie atteint dans les collisions proton-proton du LHC. Le détecteurs ATLAS a été principalement conçu dans l’optique de la découverte du boson de Higgs. Leurs performances ont été optimisées pour les rendre sensibles à la production du boson de Higgs au taux prévu par le Modèle Standard. Malgré une énergie dans le centre de masse environ deux fois inférieure à l’énergie nominale durant les trois premières années de prise de données, les analyses menées par l’expérience ATLAS a été capables d’atteindre cette sensibilité sur un intervalle de masse assez important (entre 100GeV et 600GeV). Ce travail a été récompensé par la découverte d’un signal compatible avec un boson de Higgs du Modèle Standard. Le boson de Higgs se couplant à toutes les Hadrons neutres + léger dépôt énergétique +++ gerbe hadronique Muons Ionisation + léger dépôt énergétique + léger dépôt énergétique +++ Impulsion Neutrinos particules massives du Modèle Standard, sa recherche peut s’effectuer dans de nombreux canaux de désintégration. La découverte de cette nouvelle particule par les deux expériences ATLAS et CMS, annoncée le 4 juillet 2012 [28,29], repose sur l’étude de trois canaux de désintégration : Le canal H → W +W − (avec une désintégration lépontique de chaque W), le canal H → ZZ (chaque Z se désintégrant en deux leptons) et le canal H → γγ (dans le cadre du Modèle Standard, ce mode de désintégration nécessite une boucle de W ou un triangle de fermions).