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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ACTIVITE : INTRODUCTION AUX DETECTEURS DE PARTICULES
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  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 :
 (resp.  )Les muons sont aussi des particules instables ; elles se désintègrent avec une durée de vie moyenne  .
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 :
Exemple de mesures à Toulouse sur 20 intervalles consécutifs de durée 300 s chacun.
Figure : cosmodétecteur   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 cm  30 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 ? TS / Introduction aux détecteurs de particules Page |
(resp. positifs 
sont instables et peuvent se désintégrer en muons 
(resp. anti-muons 
) et anti-neutrino muonique 
(resp. neutrino muonique 
) selon la réaction :
se désintègrent rapidement (
s) en deux photons.similaire:
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