Interactions des rayonnements électromagnétiques avec la matière

Télécharger le fichier pdf d’un mémoire de fin d’études

Interaction des particules chargées lourdes avec la matière

Les particules chargées lourdes sont tout simplement l’ensemble de toutes les particules chargées, à l’exception des électrons (et positrons). On peut en citer quelques-unes, tel le proton, la particule alpha (noyau d’hélium) et les ions lourds. Le passage d’une particule chargée dans la matière a deux effets principaux qui sont la perte d’énergie par la particule et une déflection de la trajectoire de la particule. Les processus qui gouvernent le freinage des particules chargées dans la matière sont extrêmement complexes. Nous nous bornerons à une approche simplifiée.
Quatre processus peuvent en principe entrer en ligne de compte pour freiner une particule chargée [6].
a) Collisions élastiques avec les électrons atomiques de la matière.
b) Collisions inélastiques avec les électrons atomiques de la matière.
c) Collisions élastiques avec les noyaux de la matière.
d) Collisions inélastiques avec les noyaux de la matière.
L’effet b) est le processus principal responsable de la perte d’énergie des particules chargées lourdes. Dans ce type de collisions, l’énergie est transférée de la particule à l’atome en créant une ionisation ou une excitation de la matière. La quantité d’énergie transférée lors de chaque collision est généralement une très faible portion de l’énergie cinétique totale de la particule incidente. Cependant le nombre de collisions par unité de libre parcours moyen est tellement grand que l’on peut observer une perte d’énergie substantielle même dans des matériaux de faibles épaisseurs. L’effet c) est aussi assez fréquent. Cependant, une très faible quantité d’énergie est transférée dans ce type de collisions car la masse des noyaux de la matière est en général grande en comparaison avec la masse de la particule incidente [6].

Les type d’interactions et les particules élémentaires :

Les type d’interactions:

Toute force est causée par des interactions au niveau des particules élémentaires. Toute désintégration de particules est aussi causée par des interactions. L’interaction entre particules de matière se fait via l’échange de particules (ex. bosons de jauge) qui portent les quanta d’énergie-impulsion de quatre types d’interaction [7].
• Interaction faibles, responsables de l’instabilité ou la désintégration de toutes les particules sauf les particules élémentaires les moins massives appartenant à la même classe.
• Interactions électromagnétiques, responsables de forces électriques et magnétiques.
• Interactions fortes, responsables des forces entre quarks et gluons et des liaisons nucléaires.
• Interaction gravitationnelles responsables de forces entre n’importe quelle paire d’objets dues à leur énergie (incluant leur masse).
Ici nous ajoutons le Higgs aux quanta d’interactions bien qu’il n’en soit pas un à proprement parler. Comme nous le verrons plus loin cependant, celui-ci est lié au mécanisme qui donne une masse aux bosons d’interaction faible Z0, W+ et W-. Le graviton a pour le moment élude toute tentative d’observation et n’existe que dans le cadre de théories quantiques de la gravitation où il est interprété comme une fluctuation quantique du champ gravitationnel classique. Cependant, aucune de ces théories n’est entièrement satisfaisante même si certaines sont prometteuses. Par ailleurs la découverte du boson de Higgs reste à confirmer. Dans le passé, on a estimé sa masse par des moyens indirects, mais ces estimations sont peu fiables et ont changé fréquemment notamment parce que les effets indirects du boson de Higgs sur les phénomènes physiques sont relativement fiables. De plus il existe plusieurs scénarios qui ne requièrent pas de boson de Higgs alors que d’autres modèles proposent plusieurs Higgs.
En juillet 2012, les groupes ATLAS et CMS présentaient leurs résultats mettant en évidence l’existence d’une particule scalaire compatible avec le Higgs. La confirmation qu’il s’agit bien du Higgs exige toutefois une vérification des propriétés de cette particule scalaire si ce n’est son existence même.
Ces particules sont de spin 1, sauf le Higgs et le graviton qui sont de spins 0 et 2 respectivement. Toutes les interactions sont donc la conséquence d’échange de bosons (particule de spin entier).

Les particules élémentaires :

La matière est composée de noyaux et d’électrons. Les particules peuvent être regroupées selon les interactions auxquelles elles participent.
Il y a deux classes de particules fondamentales: fermions et bosons classées selon leur quantité de mouvement angulaire. Les particules de matière comme les taus, les électrons et les quarks appartiennent tous à la famille des fermions. Par contre, les particules associées aux diverses forces qui agissent sur ces fermions sont des bosons, comme les photons et les bosons W et Z.

Les leptons et les quarks

– Les leptons : un lepton est une particule élémentaire de spin ½ qui n’est pas sensible à l’interaction forte. La famille des leptons est constituée des électrons, des muons, des tauons, des neutrinos respectifs et des antiparticules de toutes celles-ci. Le terme « lepton » provient du mot grec signifiant « léger » et se réfère à la faible masse du premier lepton découvert, l’électron, par rapport aux nucléons.
– Les quarks : les quarks sont les particules élémentaires qui forment la matière nucléaire.
1) Ils interagissent fortement (soumissent à l’interaction forte).
2) Ils portent des charges électriques fractionnaires.
3) Ils possèdent une charge faible et forment des doublets d’interactions faibles.
4) On leur associe aussi une charge colorée et ils forment des triplets d’interaction forte. Les quarks apparaissent au moins en six saveurs : les quarks up, down, étrange, charmé, bottom et le quark top [7].

Confinement des quarks, les hadrons

On n’a jamais observé de quark à l’état libre et l’on pense qu’il faudrait pour cela une énergie infinie. On observe seulement des états liés de quarks et d’antiquarks, les hadrons. Il en existe deux sortes : les baryons, de spin demi entier, états liés de trois quarks, comme le proton et le neutron ; les mésons, de spin entier, états liés d’un quark et d’un antiquark. Les états liés de trois antiquarks sont les antibaryons [8].
On dit que les quarks sont confinés à l’intérieur des hadrons.
Lorsque les quarks sont créés par les collisions à très haute énergie, ils apparaissent sous forme de jets d’hadrons émis dans un cône étroite autour de la direction du quark.
Le seul hadron stable est le proton dont la durée de vie est 1031 années. Le neutron libre est instable mais est stable dans les noyaux par l’énergie de liaison. Les hadrons les plus importants du point de vue expérimental sont les états fondamentaux des systèmes de trois quarks (spin ½) ou d’un quark et d’un antiquark (spin 0) dont la durée de vie est suffisamment longue pour qu’ils puissent être observés dans un détecteur. Les hadrons interagissent entre eux par des interactions fortes, résidus des interactions entre quarks.

Interaction des neutrons avec la matière :

Le neutron est une particule non chargée de masse voisine de celle du proton. Il est instable  lorsqu’il n’est pas lié, avec une demi-vie de 12 minutes. Les neutrons sont généralement classés en fonction de leur énergie.
Les neutrons n’interagissent qu’avec les noyaux des atomes du matériau traverse en raison de leur charge nulle, Ces interactions se divisent en deux catégories : celles qui entraînent la disparition du neutron, que l’on nomme absorptions et celles qui ne contribuent qu’à diminuer l’énergie du neutron que l’on nomme diffusions.
Les neutrons rapides perdent leur énergie cinétique au cours de chocs avec les noyaux atomiques, transférant une partie de son énergie au noyau heurte. Le transfert d’énergie est faible lorsque le noyau cible à une masse élevée et cette interaction entraine seulement la diffusion du neutron. Lorsque la masse du noyau est égale à celle du neutron on a un choc frontal et pour arrêter les neutrons on utilise des milieux riches en hydrogène (paraffine). Les neutrons thermiques, ayant leur énergie cinétique réduit à une valeur très faible, correspondant à l’énergie cinétique de l’agitation thermique, sont absorbés dans le milieu par capture nucléaire et il en résulte la production d’un isotope souvent radioactif.
Les applications principales des neutrons sont la production des radioéléments et l’analyse par activation, mais la présence de neutrons au voisinage des piles atomiques des accélérateurs soulève des problèmes de protection.

Interactions des rayonnements électromagnétiques avec la matière :

De par leur absence de masse, les rayonnements électromagnétiques sont très pénétrants dans la matière. Cela veut donc dire que leurs interactions avec la matière ont un caractère « rare » ou « aléatoire » par rapport à celles des particules chargées que l’on qualifie souvent d’interactions « obligatoires ». De ce fait, leur parcours sera très important : de l’ordre de plusieurs centaines de mètres dans l’air.
Les rayonnements électromagnétiques sont également appelés « rayonnements indirectement ionisants ». En effet lors de leurs interactions, ils mettent en mouvement des électrons, lesquels vont ioniser la matière selon les phénomènes vus précédemment.
Dans la gamme d’énergie étudiée ici (de 0 a quelques MeV), nous nous limiterons aux trois processus d’interaction suivants entre les rayonnements électromagnétiques et la matière :
– L’effet photoélectrique ;
– L’effet Compton ;
– L’effet de production de paires.

Effet photoélectrique :

L’effet photoélectrique est le mode dominant d’interaction pour les photons de basse énergie (0.01 et 0.1 MeV) [9].
C’est un processus par lequel le photon incident, cède toute son énergie à un électron des couches profondes (couche K ou L), qui est alors éjecté de l’atome : il y a absorption totale du photon et ionisation de l’atome [10].
L’énergie cinétique de l’électron Ecin est égale à l’énergie du photon incident, moins l’énergie de liaison de l’électron qui a été éjecté : Ecin hv We (4)
Où We est l’énergie de liaison d’un électron atomique et hν l’énergie initiale du photon Incident. Comme les énergies de liaison sont relativement faibles, l’énergie de l’électron secondaire est à peu près égale à celle du photon incident. L’atome se trouve alors dans un état excité et son retour à l’état fondamental peut se faire par deux processus :
Le mode de désexcitation radiatif correspondant à l’émission d’un rayonnement de fluorescence, dont le spectre de raies discontinu est caractéristique du matériau cible.
Le mode de désexcitation non radiatif ou électronique qui est également connu sous le nom « d’effet Auger »[9].
La probabilité d’interaction par effet photoélectrique est caractérisée par le coefficient d’atténuation massique.
Cette probabilité est grande quand l’énergie du photon incident est supérieure, mais voisine à l’énergie de liaison d’un électron sur sa couche ; la probabilité décroit très vite avec l’énergie. On peut conclure que l’effet photoélectrique = Absorption complète du photon incident par l’atome et éjection conséquente d’un électron de l’atome.
C’est-à-dire Quand l’énergie du photon augmente, des électrons des couches plus profondes peuvent être éjectés [11].

Interaction forte des hadrons dans un milieu matériel

La force forte des interactions hadron-noyaux est de courte portée (10-13 cm). Ces interactions sont donc très rares par rapport aux processus électromagnétiques.
Toutefois les réactions fortes deviennent importantes pour les hadrons à haute énergie, et quand le milieu est dense.

Gerbe hadronique

Une gerbe hadronique, ou cascade hadronique, est un ensemble de particules créées par l’interaction d’une particule incidente avec la matière environnante et essentiellement constitué de hadrons ou de quarks et de gluons (on parle dans ce dernier cas de jet), principalement sensibles à l’interaction forte.
Une gerbe hadronique est initiée par les hadrons secondaires rapides créés dans l’interaction inélastique d’un hadron incident de haute énergie. En moyenne la moitié de l’énergie de l’hadron incident passe aux hadrons secondaires rapides, et le reste est partagé parmi les pions lents et d’autres processus.
• Le développement longitudinal d’une gerbe hadronique est caractérisé par la longueur d’absorption nucléaire. Puisque, une gerbe hadronique se développe plus profondément dans le milieu qu’une gerbe électromagnétique.
• Les hadrons secondair.es ont des impulsions transversales importantes (~350 MeV/c). La dimension transversale d’une gerbe hadronique est plus grande que celle d’une gerbe électromagnétique (dominée par diffusion multiple à petit angle).
• La fluctuation du développement d’une gerbe hadronique est très grande. C’est la raison pour laquelle la mesure d’énergie d’un hadron est moins précise que celle d’un électron par calorimètre [1].

Gerbes électromagnétiques

• À haute énergie, les électrons perdent leurs énergies presque exclusivement par Bremsstrahlung et les photons perdent les leurs par production de paires. La combinaison de ces deux effets résulte en la formation d’une gerbe électromagnétique quand un électron ou un photon entre dans un milieu. (Fig.9).
• Le développement de la gerbe est un processus statistique. Le calcul rigoureux est effectué par simulation Monte Carlo. Toutefois il existe un modèle simple qui décrit bien, en moyenne, de ce processus.

les détecteurs des rayonnements ionisants

Les phénomènes d’interaction entre des rayonnements émis par une source et un milieu détecteur approprié permettent de mettre en évidence la présence de radioactivité.
Détecter des rayonnements signifie tout d’abord être informé de la présence de rayonnements nucléaires. Mais la détection c’est aussi l’identification de la nature de ces particules, leur dénombrement ainsi que la mesure de leur énergie (spectrométrie).
Un système de détection est constitué d’un milieu détecteur, dans lequel l’interaction du rayonnement avec la matière par ionisation ou par une excitation atomique donne lieu à l’apparition d’un signal électrique ou lumineux. Un ensemble de mesures traite le signal en l’amplifiant et en le mettant en forme pour procéder au comptage.
Les différents types de détecteurs peuvent être caractérisés par la nature de l’interaction du rayonnement avec le détecteur [15]:
– l’excitation atomique joue un rôle important dans la production de lumière dans les détecteurs à scintillation ;
– l’ionisation de la matière par le rayonnement incident est à l’origine de la détection dans les chambres d’ionisation, les compteurs de type Geiger-Müller, les détecteurs à semi-conducteurs, ainsi que pour certains équipements spéciaux comme les chambres à étincelles.
Ce second chapitre, est consacré à la description des différents types de détecteurs (détecteur à ionisation, détecteur à scintillation et détecteur semi-conducteur) couramment utilisés et au processus de la détection du boson de Higgs au LHC par le détecteur ATLAS.

Mode de fonctionnement

Quel que soit le mode de fonctionnement d’un détecteur et donc le principe sur lequel s’appuie la détection des rayonnements, il est toujours constitué des mêmes éléments:
 un capteur au niveau duquel le rayonnement interagit avec la matière
 un système d’amplification qui met en forme et amplifie le signal produit par la sonde éventuellement un système de traitement du signal
 un système d’affichage qui indique : un flux de particules : le compteur l’énergie des particules : le spectromètre
 la dose absorbée ou le débit de dose absorbée : le dosimètre ou le débitmètre.
Paramètres caractéristiques d’un détecteur
L’efficacité de détection: c’est le rapport du nombre de particules détectées au nombre de particules reçues par le détecteur. L’efficacité dépend donc de la nature et de l’énergie du rayonnement
Le temps mort: c’est le plus petit intervalle de temps entre deux informations pour que chacune d’entre elles soit prise en compte par le système
Le mouvement propre: c’est le taux de comptage enregistré en absence de toute source de rayonnement
Les caractéristiques géométriques: elles définissent la forme du détecteur, l’importance de sa surface sensible et sa directivité.

Les détecteurs à gaz ou à ionisation

Les détecteurs à ionisation, ou aussi appelé détecteur à gaz sont parmi les plus anciens détecteurs de particules, mais sont toujours d’actualité. De part la grande mobilité des électrons et des ions dans un gaz, celui-ci est le milieu idéal pour collecter les ionisations provenant de radiations qui le traversent.
Les détecteurs de bases, c’-à-d la chambre à ionisation, le compteur proportionnel et le compteur Geiger-Müller sont de bons exemples pour les phénomènes d’ionisation dans les gaz. Ces trois détecteurs sont en fin de compte le même instrument fonctionnant avec différents paramètres. La configuration de base est donnée dans la Figure 6 suivant.
Il s’agit d’un récipient cylindrique, avec des murs conducteurs et une mince fenêtre. Le cylindre est rempli d’un gaz, usuellement un gaz noble tel l’argon.
Le long de son axe principal, on suspend un fil conducteur qui est mis à une tension positive V0 relativement aux murs. Le champ électrique radial est : Er 1 V0 (10)
Où r est la distance radiale d’un point par rapport à l’axe, b le rayon interne du cylindre, a le rayon du fil. Si une radiation pénètre dans le gaz, un certain nombre de paires électrons-ions vont se créer soit directement s’il s’agit du passage d’une particule chargée, soit indirectement par des réactions secondaires si la radiation était neutre. Sous l’effet du champ électrique, les électrons seront accélérés vers l’anode et les ions vers la cathode, où ils seront collectés. Le signal observé, qui est en fait le courant des ions, dépendra de l’intensité du champ électrique [16].

Table des matières

Introduction
Chapitre I Interaction des rayonnements ionisants avec la matière
I.1. Interaction des particules chargée avec la matière
I.1.1. Interaction des électrons avec la matière
I.1.2. Interaction des particules chargées lourdes avec la matière
I.2. Les type d’interactions et les particules élémentaires
I.2.1. Les type d’interactions
I.2.2. Les particules élémentaires
a) Les leptons et les quarks
b) Confinement des quarks, les hadrons
I.3. Interaction des neutrons avec la matière
I.4. Grandeurs Caractéristiques de ces interactions
I.5. Interactions des rayonnements électromagnétiques avec la matière
I.5.1. Effet photoélectrique
I.5.2. Effet Compton
I.5.3. Production de paires
I.5.4. Section efficace et luminosité
I.5.5.Atténuation des rayonnements électromagnétiques
I.5.6. la luminosité
I.6. Interaction forte des hadrons dans un milieu matériel
i) Gerbe hadronique
ii) Gerbes électromagnétiques
Chapitre II les détecteurs des rayonnements ionisants
II.1. Mode de fonctionnement
II.2. Les détecteurs à gaz ou à ionisation
II.3. Détecteur à scintillation
II.4. Détecteur à semi-conducteur
II.5. Détection du Boson de Higgs par le détecteur ATLAS du LHC (CERN)
II.5.1 Le Boson de Higgs ou le boson BEH (Brout-Englert-Higgs)
II.5.2 Le LHC et le détecteur ATLAS
II.5.3. la détection du boson de Higgs
Conclusion
Reference

Télécharger le rapport complet