Résumé : L’analyse d’un film sur le détecteur de recherche actuel antares permet de développer une culture scientifique et technique chez l’élève (thème : Créer et innover).








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date de publication27.03.2017
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ACTIVITE : INTRODUCTION AUX DETECTEURS DE PARTICULES 


Thème : Observer - Ondes et particules

Notions et contenus : détecteur de particules élémentaires

Compétence : extraire et exploiter des informations sur

- des sources d’ondes et de particules et leurs utilisations ;

- un dispositif de détection.

Sources :

  • le film « pêcheurs d’étoiles » sur le détecteur ANTARES est en ligne sur le site du CNRS Images à l’adresse :

http://videotheque.cnrs.fr/index.php?urlaction=doc&id_doc=1994&rang=1

  • les documents écrits :

  • cahier pédagogique du cosmodétecteur de Sciences à l’Ecole, téléchargeable à l’adresse :

http://www.sciencesalecole.org/equipements-pedagogiques/materiel-pedagogique-cosmos.html

  • article BUP : « Réalisation d’un détecteur de muons : une approche de physique du XXe siècle au lycée », C. Lagoute, téléchargeable à l’adresse :

http://udppc.asso.fr/paris2007/docactes/2008/301_12032009102128.pdf

Résumé :

L’analyse d’un film sur le détecteur de recherche actuel ANTARES permet de développer une culture scientifique et technique chez l’élève (thème : Créer et innover). La présentation à travers des documents simples d’un détecteur pédagogique appelé cosmodétecteur permet, d’une part de montrer que les principes fondamentaux de fonctionnement sont les mêmes pour les deux détecteurs, et d’autre part que les notions de bruit et de signal (thème : Mesures et incertitudes - erreurs et notions associées) dépendent du détecteur considéré. L’activité permet aussi d’exprimer un résultat de mesure avec une incertitude de mesure liée à un niveau de confiance donné (thème : Mesures et Incertitudes – Expression et acceptabilité d’un résultat).

Mots clefs : neutrino, muon, scintillateur, effet Cerenkov, photomultiplicateur

Académie : TOULOUSE – Auteur : Jean-Christian Bureau



ACTIVITE : INTRODUCTION AUX DETECTEURS DE PARTICULES


Doc 1 : ANTARES

Le réseau de détecteurs sous-marin ANTARES, situé au large de Toulon à 2500 m de fond, a pour but de détecter les neutrinos de haute énergie issus du fin fond de l’Univers. Visionner le film « Pêcheurs d’étoiles » (durée : 26’) consacré à ce détecteur, disponible dans la vidéothèque du CNRS Images à l’adresse :

http://videotheque.cnrs.fr/index.php?urlaction=doc&id_doc=1994&rang=1



Figure : vue d'artiste du détecteur




Doc 2 : Les rayons cosmiques

gerbe-1.jpg

Figure : gerbe de particules (crédit : BUP, 911 (1), 143 (2009))

La Terre est bombardée en permanence par un flux de particules appelées rayons cosmiques primaires et constitué à 87 % de protons, 12 % de noyaux atomiques (hélium principalement) et 1 % d’électrons.

Lors de leur entrée dans l’atmosphère, ces rayons cosmiques interagissent avec les électrons, les noyaux et les molécules de l’air en formant des gerbes de particules secondaires (Figure ) comportant :






  • une composante hadronique : les protons et noyaux des rayons cosmiques primaires interagissent via l’interaction forte avec les noyaux de l’atmosphère en les cassant ; il se forme des noyaux secondaires (N, N’, N’’) et des pions. Les pions négatifs (resp. positifs sont instables et peuvent se désintégrer en muons (resp. anti-muons ) et anti-neutrino muonique (resp. neutrino muonique ) selon la réaction :

(resp. )

Les muons sont aussi des particules instables ; elles se désintègrent avec une durée de vie moyenne .

  • une composante électromagnétique, constituée de photons, d’électrons et de positrons : par exemple les pions neutres se désintègrent rapidement ( s) en deux photons.

Du fait des interactions et des durées de vie des particules il reste au sol principalement des muons (75 %), des électrons et positrons, et des neutrinos.

Depuis la découverte de ces particules il y a un siècle,  par Viktor Hess et Domenico Pacini, les rayons cosmiques sont encore  aujourd'hui un sujet d'étude majeur dans de nombreux domaines de  l'astrophysique.






























Doc 3 : Le cosmodétecteur

Ce détecteur (Figure ) permet notamment de compter les muons cosmiques.

Le matériau du scintillateur est un plastique transparent qui produit par fluorescence de la lumière UV et visible lorsqu’un muon (ou un autre type de particule chargée) le traverse (Figure ). Une surface réfléchissante est disposée autour du scintillateur et joue le rôle de miroir pour qu’une partie du signal lumineux atteigne la photocathode du photomultiplicateur. Des électrons sont alors arrachés à la photocathode par effet photoélectrique, puis ces électrons sont focalisés et accélérés sur la première dynode d’où encore plus d’électrons sont arrachés. Ce processus d’amplification se poursuit jusqu’à l’anode où les électrons sont collectés et génèrent une impulsion électrique de quelques dixièmes de volts et d’une durée de l’ordre de 20 ns. La tension appliquée entre la photocathode et l’anode est de l’ordre de 1000 V.

A cause de l’agitation thermique, des électrons sont arrachés à la photocathode et génèrent en sortie des impulsions électriques qui constituent le bruit de fond. Pour éliminer ce bruit :

  • on règle un seuil : le boitier électronique qui numérise les signaux électriques en sortie des photomultiplicateurs discrimine les signaux trop faibles dont l’amplitude ne dépasse pas ce seuil ;

  • on détecte les signaux coïncidents : lorsqu’un muon traverse deux scintillateurs il génère en sortie des photomultiplicateurs deux signaux quasi-simultanés.

Exemple de mesures à Toulouse sur 20 intervalles consécutifs de durée 300 s chacun.

N° intervalle

Nbre de coïncidences

N° intervalle

Nbre de coïncidences

N° intervalle

Nbre de coïncidences

N° intervalle

Nbre de coïncidences

1

655

6

698

11

695

16

680

2

707

7

664

12

669

17

703

3

702

8

614

13

615

18

684

4

673

9

647

14

674

19

608

5

701

10

661

15

768

20

647












Figure : cosmodétecteur

raquettes-1.jpg



Figure : principe de détection (crédit : Sciences à l’Ecole)



Interface

Boîtier électronique

Scintillateur

(dans sa coque en plastique noir)

Photomultiplicateur

QUESTIONS

Doc 1 :

1) Quelle propriété des neutrinos justifie leur intérêt comme messagers d’information ?

2) Les détecteurs d’ANTARES sont-ils sensibles aux neutrinos ?

3) Pourquoi sont-ils placés au fond de la mer ?

Doc 2 :

4) Rechercher la signification de « composante hadronique ».

5) Expliquer sans calculs pourquoi les pions neutres, contrairement aux muons, n’ont-ils aucune chance d’atteindre le sol ?

Doc 3 :

6) Pourquoi la coïncidence des signaux issus des deux photomultiplicateurs signe-t-elle le passage d’un muon ?

7) Calculer et exprimer avec son incertitude le flux moyen en muons·m-2·s-1.

Indications :

- on admettra que est égal à 3,3 fois le nombre moyen de coïncidences ;

- la surface d’un scintillateur est égale à 13 cm30 cm ;

- avec un taux de confiance de 95 %, l’incertitude statistique est donnée par la formule où n est le nombre de mesure et l’écart-type expérimental.

8) Quelle est la signification physique du facteur multiplicatif 3,3 ?


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