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 détecteurAppareillage sensible au passage des particuless 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 détecteurAppareillage sensible au passage des particuless 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 calorimètreUn calorimètre est un détecteurAppareillage sensible au passage des particules qui absorbe les particules et détermine leur énergie totales

D’autres détecteurAppareillage sensible au passage des particuless mesurent directement l’énergie des particules, en les arrêtant totalement. Lors de cette absorption, l’énergie de particules est absorbée dans les matériaux du détecteurAppareillage sensible au passage des particules et donne un signal électrique dont l’amplitude est reliée à cette énergie. Ces détecteurAppareillage sensible au passage des particuless sont appelés calorimètreUn calorimètre est un détecteurAppareillage sensible au passage des particules qui absorbe les particules et détermine leur énergie totales, et suivant les particules que ces détecteurAppareillage sensible au passage des particuless peuvent arrêter totalement, électrons ou particules composés de quarkConstituants ultimes des noyaux atomiquess, ces calorimètreUn calorimètre est un détecteurAppareillage sensible au passage des particules qui absorbe les particules et détermine leur énergie totales sont dits « électromagnétiques » ou « hadronLes hadrons sont des particules sensibles à l'interaction forte, la plus puissante des quatre forces.iques ».

Particules pénétrantes

Seules quelques particules chargées, les muonLe muon est une particule semblable à l'électron, mais plus lourd.s, sont capables de sortir de ces « pièges calorimétriques ». Pour les identifier, on dispose un détecteurAppareillage sensible au passage des particules 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 neutrinoLe neutrino est une particule élémentaire qui interagit très faiblement. Il en faut des milliards pour en détecter un.s. 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 neutrinoLe neutrino est une particule élémentaire qui interagit très faiblement. Il en faut des milliards pour en détecter un..

Identification et filtre rapide

D’autres types de détecteurAppareillage sensible au passage des particuless 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 détecteurAppareillage sensible au passage des particuless sensibles à la vitesse (effet Tchérenkov, compteurs de temps de vol, détecteurAppareillage sensible au passage des particuless de radiation de transition), ou bien passer par la mesure de l’ionisation produite par la particule, qui dépend de sa masse.

Les détecteurAppareillage sensible au passage des particuless de déclenchement (ou trigger) doivent avoir une réponse très rapide, ils n’ont pas besoin de précision spatiale.

Principe des détecteurAppareillage sensible au passage des particuless

Ce schéma montre un empilement cylindrique des détecteurAppareillage sensible au passage des particuless adaptés aux mesures des différentes particules.

• Pour aller plus loin, retrouver des articles Détection de la revue Elementaire (en pdf) :
   "Calorimétrie"
   "L’identification des particules chargées"
   "Les détecteurs de vertex en silicium"