Les éléments d’un grand détecteur

La plupart des particules produites dans une interaction sont éphémères (elles vivent moins d’un milliardième de seconde !), mais, grâce à leur vitesse, peuvent parcourir des distances allant de quelques microns à quelques centaines de mètres avant de se désintégrer en particules stables comme des photons, électrons, neutrinos, neutrons ou protons. Un grand détecteur est un assemblage de sous-détecteurs adaptés à chaque type de particules et aux mesures que l’on veut faire.

Détection des traces : les trajectomètres

Les particules les plus éphémères ne parcourent qu’une fraction de millimètre, et sont identifiées par leurs produits de désintégration, des particules dont les trajectoires sont issues d’un point décalé du point d’interaction. Pour détecter ce décalage, il faut des détecteurs de traces très précis (quelques micromètres par point), et situés très près de l’interaction primaire (quelques centimètres).

Pour les particules traversant une partie de l’appareillage, des détecteurs de traces de très grand volume sont nécessaires (TPC, chambres à fils, etc.)

La mesure de l’impulsion des particules chargées se fait en imposant un fort champ magnétique autour de l’interaction. Ces particules ont alors des trajectoires dont la courbure dépend de leur impulsion.

Mesure de l’énergie : les calorimètres

D’autres détecteurs mesurent directement l’énergie des particules, en les arrêtant totalement. Lors de cette absorption, l’énergie de particules est absorbée dans les matériaux du détecteur et donne un signal électrique dont l’amplitude est reliée à cette énergie. Ces détecteurs sont appelés calorimètres, et suivant les particules que ces détecteurs peuvent arrêter totalement, électrons ou particules composés de quarks, ces calorimètres sont dits « électromagnétiques » ou « hadroniques ».

Particules pénétrantes

Seules quelques particules chargées, les muons, sont capables de sortir de ces « pièges calorimétriques ». Pour les identifier, on dispose un détecteur de trajectoires derrière un blindage, qu’elles seules peuvent traverser. Un champ magnétique dans cet espace permet de courber ces trajectoires et donc de mesurer leur impulsion.

Enfin quelques particules échappent à toute détection, ce sont les neutrinos. Leur présence est signalée par le bilan énergétique global et la balance (somme géométrique) de toutes les impulsions, calculés pour toutes les particules issues de l’interaction. On connaît l’énergie disponible au départ, qui doit être la même après la collision, et l’impulsion globale initiale est nulle pour une collision frontale des particules.
Un bilan énergétique incomplet associé à une impulsion manquante est la signature, indirecte, d’un neutrino.

Identification et filtre rapide

D’autres types de détecteurs peuvent apporter des indications plus précises sur l’identité des particules, ou bien sont utilisés pour faire un premier filtre des collisions, une sorte de tri précoce pour l’électronique de lecture des autres éléments.

L’identification peut reposer sur la corrélation entre la vitesse et l’impulsion, on dispose pour cela de détecteurs sensibles à la vitesse (effet Tchérenkov, compteurs de temps de vol, détecteurs de radiation de transition), ou bien passer par la mesure de l’ionisation produite par la particule, qui dépend de sa masse.

Les détecteurs de déclenchement (ou trigger) doivent avoir une réponse très rapide, ils n’ont pas besoin de précision spatiale.

Principe des détecteurs

Ce schéma montre un empilement cylindrique des détecteurs adaptés aux mesures des différentes particules.

Principe des détecteurs
Principe des détecteurs
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