Physique des particules - Définition

Production et détection des particules

Les études sur les particules ont débuté par l'étude des rayonnements émis par les substances radioactives, et avec des détecteurs de particules portatifs ou de table permettant de détecter plusieurs particules élémentaires à TPN. Pour détecter d'autres particules, il faut modifier le niveau d'énergie.

On a eu tout d'abord recours à l'observation des rayons cosmiques, en altitude pour diminuer la dégradation causée par la traversée de l'atmosphère. Ceci a permis d'améliorer substantiellement les détecteurs, car il fallait augmenter leur surface, compte tenu du faible nombre de rayons cosmiques intéressants. On s'est alors tourné vers la construction des accélérateurs de particules, fournissant un faisceau homogène et bien calibré de particules dont on a progressivement su augmenter le niveau d'énergie. Parallèlement, les détecteurs ont progressé, afin d'étudier les interactions des particules ainsi produites.

Actuellement, les expériences de physique des particules sont menées par des équipes en collaborations internationales, qui se chargent de la construction des détecteurs spécifiques au genre d'expérimentation souhaité, et les installent auprès d'accélérateurs construits également par des collaborations internationales puissantes.

Les principaux sites d'accélérateurs internationaux sont :

• le CERN (Organisation Européenne de Recherche Nucléaire), situé sur la frontière franco-suisse, près de Genève. Ses équipements principaux sont le Super Proton Synchrotron, un accélérateur circulaire desservant le LHC ainsi que plusieurs expériences, le LEP, un grand collisionneur d'électrons et de positrons aujourd'hui démantelé, ainsi que le LHC, un grand collisionneur de protons, mis en service en septembre 2008 dans l'ancien tunnel du LEP.
• le DESY (Deutsche Elektronen Synchrotron), situé à Hambourg, en Allemagne. Son installation principale est HERA, où l'on provoque des collisions entre des électrons ou des positrons et des protons.
• le SLAC (Stanford Linear Accelerator Center), situé près de Palo Alto, aux États-Unis. Son installation principale est PEP-II (collisions d'électrons et de positrons).
• le Fermilab ou FNAL (Fermi National Accelerator Laboratory), situé près de Chicago, aux États-Unis. Son installation principale est le Tevatron (collisions de protons et d'antiprotons).
• Le Laboratoire national de Brookhaven, ou BNL, situé à Long Island, aux États-Unis. Son installation principale est le Relativistic Heavy Ion Collider, où l'on étudie des collisions entre des ions lourds tels que des ions d'or et des protons.

De nombreux autres accélérateurs de particules existent.

Principales interactions avec la matière

Selon leur nature et leur énergie, les particules interagiront différemment avec la matière. Ces interactions sont les suivantes :

Particules chargées

Particules légères : électrons, positrons

• Bremsstrahlung (rayonnement de freinage), dominant au-delà de 10 MeV.
• Diffusion inélastique avec les atomes (cortège électronique).
• Diffusion élastique avec les noyaux.
• Rayonnement Tcherenkov.
• Réactions nucléaires (faible contribution).

Particules lourdes : muons, protons, alpha, pions

• Diffusion inélastique avec les atomes (type d'interaction dominant).
• Diffusion élastique avec les noyaux : peu d’énergie transférée, car les particules sont plus légères que le noyau.
• Rayonnement Tcherenkov.
• Réactions nucléaires.
• Bremsstrahlung.

Particules non chargées

Photons

Contrairement aux particules chargées qui déposent leur énergie de manière continue le long de leur trajectoire, les interactions des photons sont localisées. Lorsqu'ils traversent un milieu, les photons traversent une certaine distance sans être affectés puis déposent brutalement de l'énergie par les interactions suivantes :

• Effet photoélectrique.
• Diffusion Compton.
• Production de paires .
• Réactions nucléaires (faible contribution).

La probabilité de produire une interaction est constante le long de la trajectoire, et par suite le nombre de photons survivants décroît en série géométrique (exponentielle) le long de la distance parcourue.

La fraction des photons qui subsistent après avoir traversé une distance x est e^-µx où µ est le coefficient d'absorption, exprimé en cm^-1. C'est la somme des coefficients d'absorption des différentes interactions pour les divers composants du matériau.

L'absorption peut être paramétrée plus commodément par le coefficient d'atténuation massique µ/ρ exprimé en cm²/g, sensiblement indépendant de la densité ρ du matériau absorbant, et ne dépendant plus que de sa composition.

Neutrons

• Diffusion élastique ;
• Diffusion inélastique ;
• Capture nucléaire ;
• Réactions nucléaires : (n, 2n), (n, α), (n, xn), (n,p) ;
• Fission nucléaire.

Neutrinos

• interactions électrofaibles (création de leptons). Très faibles à basse énergie, elles croissent vite en fonction de l'énergie.