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 informations sur la vitesse, la masse et la charge d’une particule aident les physiciens à l’identifier.

Le travail les physiciens pour identifier la particule qui a laissé une trace dans le détecteur s’apparente à celui du naturaliste qui étudie les traces laissées par des animaux dans la nature. Pour les empreintes d'animaux, la taille, la direction, la profondeur et la forme des traces, la longueur du pas et le motif général peuvent donner des indications sur le type d’animal passé par là. De la même manière, les particules laissent des signes révélateurs que les physiciens doivent déchiffrer.

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 d'une particule ;
• les calorimètres, qui arrêtent une particule et en absorbent l'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.

Pour permettre l’identification des particules produites lors de collisions, tout le détecteur doit être soumis à un champ magnétique. Une particule se déplace généralement en ligne droite, mais un champ magnétique courbe sa trajectoire. 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.

Les trajectographes

Les trajectographes, ou détecteurs de traces, révèlent la trajectoire des particules chargées électriquement, à travers les traces qu’elles laissent. Des effets similaires surviennent dans notre vie quotidienne : les avions volant à haute altitude semblent invisibles, mais si les conditions s’y prêtent, leur traînée est visible. Pour obtenir des traces, on amène les particules à traverser une substance pour visualiser leur interaction avec les atomes du milieu en question.

La plupart des trajectographes modernes ne rendent pas les traces des particules directement visibles. Is produisent de faibles signaux électriques enregistrés comme des données informatiques. La configuration des traces décelées par le détecteur est ensuite reconstituée par ordinateur.

Ils peuvent enregistrer la courbe suivie par la trajectoire d'une particule (sous l’influence d'un champ magnétique). On peut ainsi calculer l'impulsion de celle-ci, »ce qui est utile pour l’identifier.

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. De même que les fantômes traversent les murs, les muons peuvent passer à travers plusieurs couches à l’intérieur d’un détecteur. Les chambres à muons constituent en général la couche la plus externe.

Les calorimètres

Un calorimètre mesure l’énergie perdue par la ou les particules qui le traversent. Il est généralement conçu pour stopper totalement ou « absorber » la plupart des particules résultant d'un évènement de 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 deux méthodes d’identification des particules par détection du rayonnement émis par les particules chargées :

• 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.