{"id":1950,"date":"2020-04-21T12:54:50","date_gmt":"2020-04-21T10:54:50","guid":{"rendered":"http:\/\/lyceerudloff.com\/?p=1950"},"modified":"2020-07-10T12:32:18","modified_gmt":"2020-07-10T10:32:18","slug":"roue-cosmique","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/lyceerudloff.com\/index.php\/2020\/04\/21\/roue-cosmique\/","title":{"rendered":"Roue cosmique"},"content":{"rendered":"\n

Que d\u00e9tecte la Roue cosmique ?<\/h2>\n\n\n\n

On l\u2019appelle roue car elle peut tourner telle une roue pour orienter les d\u00e9tecteurs dans la direction d\u00e9sir\u00e9e mais par contre elle ne vient pas du cosmos !  Elle a \u00e9t\u00e9 con\u00e7ue pour d\u00e9tecter des particules issues des collisions des rayons cosmiques avec les noyaux atomiques composant l\u2019atmosph\u00e8re.<\/p>\n\n\n\n

Les rayons cosmiques compos\u00e9s en majorit\u00e9 de protons cosmiques (87 %), d\u2019origine galactique et extragalactique (les ph\u00e9nom\u00e8nes \u00e0 l\u2019origine de leur production restent inconnus) poss\u00e8dent des \u00e9nergies qui peuvent atteindre 1020 <\/sup>eV = 10 J  de quoi soulever une masse de 1 kg sur une hauteur de 1 m !. Heureusement que ces protons interagissent facilement avec la mati\u00e8re et tr\u00e8s peu d\u2019\u00e9lus arrivent au sol. Ils sont \u00e0 l\u2019origine de cascades de collisions qui produisent de multitudes de particules (figure 1) \u00e0 des dizaines de kilom\u00e8tres d\u2019altitude et qui arrosent l\u2019atmosph\u00e8re. Parmi les particules qui arrivent au sol on trouve principalement les muons et les neutrinos. Les muons sont vus par le cosmod\u00e9tecteur.<\/p>\n\n\n\n

Il peut \u00e9galement d\u00e9tecter toute particule charg\u00e9e \u00e9lectriquement.<\/p>\n\n\n\n

\"\"
Entr\u00e9e d’un proton dans l’atmosph\u00e8re<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Carte d\u2019identit\u00e9 du muon<\/h2>\n\n\n\n

Dans le Mod\u00e8le dit Standard de la Physique des Particules, la mati\u00e8re connue est compos\u00e9e de quarks et de leptons (12 particules en tout). Ces particules interagissent selon trois types d\u2019interactions fondamentales dont les m\u00e9diateurs sont les bosons de jauge. La gravitation,  la quatri\u00e8me interaction n\u2019est pas int\u00e9gr\u00e9e dans le Mod\u00e8le standard.<\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/figure>\n\n\n\n

Le muon <\/p>\n\n\n\n

  • Il est charg\u00e9 \u00e9lectriquement (\u00b5+<\/sup> et \u00b5– <\/sup> particule et antiparticule)  donc sensible aux interactions \u00e9lectromagn\u00e9tiques.<\/li>
  • C\u2019est un lepton, il est sensible \u00e0 l\u2019interaction faible mais ne sent pas l\u2019interaction forte.<\/li>
  • Jusque l\u00e0 il partage les m\u00eames propri\u00e9t\u00e9s que l\u2019\u00e9lectron sauf qu\u2019il est plus massif : 207 fois plus \u00ab lourd \u00bb (plus grande inertie)<\/li>
  • Une autre diff\u00e9rence, le muon \u00ab meurt \u00bb : sa dur\u00e9e de vie moyenne mesur\u00e9e dans son r\u00e9f\u00e9rentiel propre  est de \u03c4<\/em> \u2248 2,197 \u00b5s. (une horloge \u00ab embarqu\u00e9e \u00bb avec le muon indiquerait 2,197 \u00b5s)<\/li><\/ul>\n\n\n\n

    Le muon provient de la d\u00e9sint\u00e9gration des pions \u03c0<\/em> dans la haute atmosph\u00e8re (figure 1) par collision de protons avec les nucl\u00e9ons (baryons) de l\u2019atmosph\u00e8re. Ainsi, une fois produit par :  <\/p>\n\n\n\n

    \"\"<\/figure>\n\n\n\n

    le muon  se d\u00e9sint\u00e8gre selon<\/p>\n\n\n\n

    \"\"<\/figure>\n\n\n\n

    au bout d\u2019un temps moyen \u03c4.<\/p>\n\n\n\n

    L\u2019arriv\u00e9e du muon et sa d\u00e9tection<\/h2>\n\n\n\n

    Le muon issu de la d\u00e9sint\u00e9gration d\u2019un pion, \u00e0 quelques dizaines de kilom\u00e8tres d\u2019altitude, fonce \u00e0 la vitesse relativiste, proche de celle de la lumi\u00e8re c<\/em>, vers le sol. Il passe presque inaper\u00e7u par les noyaux de l\u2019atmosph\u00e8re car insensible \u00e0 l\u2019interaction forte, il peut subir des diffusions avec les particules qui le d\u00e9vie  un peu de sa trajectoire.  Pour le cosmod\u00e9tecteur ou pour tout observateur terrestre, le muon relativiste b\u00e9n\u00e9ficie de la dilatation des dur\u00e9es : il vit plus longtemps, le sursit peut aller jusqu\u2019\u00e0 60 fois \u03c4  ce qui lui laisse le temps d\u2019arriver au sol.  Plus exactement, l\u2019\u00e2ge moyen du muon pour un observateur terrestre ou dur\u00e9e de vie mesur\u00e9e \u0394tm <\/sub>( dur\u00e9e de vie impropre) d\u00e9pend  de sa vitesse v : <\/p>\n\n\n\n

    \"\"<\/figure>\n\n\n\n

    Comme   v < c<\/em>, le facteur de Lorentz \u03b3 est sup\u00e9rieur \u00e0 1.<\/p>\n\n\n\n

    La roue qui voit le muon<\/strong><\/p>\n\n\n\n

    \"\"<\/figure>\n\n\n\n

    Le cosmod\u00e9tecteur repr\u00e9sent\u00e9 sur la figure 3, comprend trois raquettes 1, 2 et  3 amovibles mais qui peuvent \u00eatre mont\u00e9es sur la roue. Cette derni\u00e8re peut tourner d\u2019un angle lu sur la face avant.<\/p>\n\n\n\n

    Suivons un muon qui arrive (figure 3) :<\/p>\n\n\n\n

    • Il traverse le premier scintillateur de la raquette. Il y produit des photons. En effet, comme le muon est charg\u00e9 \u00e9lectriquement il excite les mol\u00e9cules du plastique composant le scintillateur (figure 4).  Ces mol\u00e9cules se d\u00e9sexcitent en \u00e9mettant de la lumi\u00e8re (dans le visible et l\u2019ultraviolet), de la m\u00eame mani\u00e8re que dans les tubes fluorescents.<\/li><\/ul>\n\n\n\n
      • Le muon n\u2019ayant perdu qu\u2019une petite partie de son \u00e9nergie file droit vers le deuxi\u00e8me scintillateur.<\/li><\/ul>\n\n\n\n
        • Derri\u00e8re lui, la lumi\u00e8re qu\u2019il a produite se dirige vers la photocathode pour y arracher des \u00e9lectrons par effet photo\u00e9lectrique (figure 5) : un photon incident d\u2019\u00e9nergie  h\u03bd <\/em>est utilis\u00e9e pour arracher un \u00e9lectron de son environnement, en investissant une \u00e9nergie minimale W0<\/sub> (transf\u00e9r\u00e9e sous forme de travail dit de sortie de l\u2019\u00e9lectron). L\u2019exc\u00e9dent d\u2019\u00e9nergie   h\u03bd – W0<\/sub><\/em>  correspond \u00e0 l\u2019\u00e9nergie cin\u00e9tique de l\u2019\u00e9lectron.<\/li><\/ul>\n\n\n\n
          \"\"<\/figure><\/div>\n\n\n\n
          • Le passage du muon dans scintillateur 1 est donc sign\u00e9 par la production des \u00e9lectrons qui induisent une tension \u00e9lectrique trop faible.  Pour obtenir une impulsion \u00e9lectrique exploitable, il faut multiplier  le nombre de ces \u00e9lectrons par un million ; c\u2019est le r\u00f4le du photomultiplicateur (PM) figure 6.<\/li><\/ul>\n\n\n\n
            \"\"<\/figure><\/div>\n\n\n\n

             la sortie de chaque PM on peut visualiser les impulsions correspondant aux charges collect\u00e9es (figure 7).  Mais ces impulsions ce ne sont pas seulement dues au passage d\u2019un muon. L\u2019\u00e9lectronique de la roue est aussi victime, comme toute \u00e9lectronique de d\u00e9tection, de signaux parasites (le rapport signal muon sur bruit est de  \u22481\/15).<\/p>\n\n\n\n

            \"\"
            Figure 7 : Visualisation des signaux \u00e0 la sortie des PM. A droite, le signal issu de PM1
            visualis\u00e9 \u00e0 l’aide d’un oscilloscope 60 MHz- 1 GS\/s. A gauche, enregistrement de deux
            signaux en co\u00efncidence <\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

            <\/p>\n\n\n\n

            • Il est donc n\u00e9cessaire de valider les \u00e9v\u00e9nements \u00ab muon \u00bb en d\u00e9tectant le muon lors de son passage dans le scintillateur 2. On ouvre une fen\u00eatre de temps pendant 100 ns et si pendant cet intervalle les deux d\u00e9tecteurs \u00ab bipent \u00bb il y a alors de tr\u00e8s fortes chances qu\u2019il s\u2019agisse d\u2019un muon. Cette technique porte le nom de co\u00efncidence (date de 1932).<\/li><\/ul>\n\n\n\n
              • Les signaux sont num\u00e9ris\u00e9s et discrimin\u00e9s dans l\u2019interface (figure 8)<\/li><\/ul>\n\n\n\n
                \"\"<\/figure>\n\n\n\n

                Que peut-on mesurer avec la roue ?<\/h2>\n\n\n\n
                • Le nombre de muons par seconde en fonction de l\u2019endroit, de l\u2019orientation, des mat\u00e9riaux travers\u00e9s \u2026<\/li>
                • Utiliser l\u2019effet Cerenkov pour montrer que les particules proviennent du ciel.<\/li>
                • Mesurer la dur\u00e9e de vie moyenne du muon en exploitant la dilatation des dur\u00e9es annonc\u00e9e par la th\u00e9orie de la relativit\u00e9 restreinte.<\/li><\/ul>\n\n\n\n
                  \"\"<\/figure>\n\n\n\n

                  L\u2019histogramme pr\u00e9c\u00e9dent est le r\u00e9sultat d\u2019un comptage de muons arrivant dans la salle C2.1 en mettant en co\u00efncidence deux compteurs 1 & 2.  La lecture des r\u00e9sultats donne 10 muons toutes les 5 secondes soit 2 muons en moyenne par seconde.<\/p>\n\n\n\n

                  L\u2019effet Cerenkov se produit dans un milieu transparent o\u00f9 la vitesse de la particule v <\/em>(ici le muon) est sup\u00e9rieure \u00e0 la c\u00e9l\u00e9rit\u00e9 de la lumi\u00e8re dans le milieu (oui mais v <\/em>> c\/n<\/em> et non v <\/em>> c<\/em> !). C\u2019est l\u2019\u00e9quivalent de l\u2019effet qui se produit quand un avion d\u00e9passe le mur du son (de vitesse plus grande que la c\u00e9l\u00e9rit\u00e9 du son dans l\u2019air)  Quand le PM est vers le bas le comptage est plus grand, ce qui montre que les particules viennent d\u2019en haut.<\/p>\n\n\n\n

                  \"\"<\/figure><\/div>\n\n\n\n
                  \"\"<\/figure>\n\n\n\n

                  La mesure de la dur\u00e9e de vie moyenne du muon (figure ci-dessous) n\u00e9cessite un temps d\u2019acquisition plus important (plus d\u2019une dizaine d\u2019heures) pour accumuler suffisamment de donn\u00e9es.<\/p>\n\n\n\n

                  \"\"<\/figure>\n\n\n\n

                  Une des grandes exp\u00e9riences qui utilise des d\u00e9tecteurs de muons est ANTARES. Avec ses 900 photod\u00e9tecteurs immerg\u00e9s en m\u00e9diterran\u00e9e, ANTARES observe le rayonnement bleu Cerenkov produit par un muon issu de  l\u2019interaction d\u2019un neutrino cosmique avec la mati\u00e8re.  Ceci permettrait en outre de comprendre les m\u00e9canismes de production des rayons cosmiques, d\u2019\u00e9lucider l\u2019\u00e9nigme de la masse manquante de l\u2019Univers.<\/p>\n\n\n\n

                  Djafer ADENY<\/p>\n\n\n\n

                  <\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

                  Le cosmod\u00e9tecteur fait partie des \u00e9quipements g\u00e9r\u00e9s par le dispositif minist\u00e9riel \u00ab Sciences \u00e0 l\u2019Ecole \u00bb et pilot\u00e9 par un comit\u00e9 national compos\u00e9 entre autres de son pr\u00e9sident d\u2019honneur C. Cohen-Tannoudji (prix Noble de Physique) et de son pr\u00e9sident, P. Encrenaz (professeur \u00e9m\u00e9rite et acad\u00e9micien)
                  \n L\u2019op\u00e9ration mise en \u0153uvre, \u00ab Cosmos \u00e0 l\u2019Ecole \u00bb, comme toutes les actions conduites par \u00ab Sciences \u00e0 l\u2019Ecole \u00bb, a pour but d\u2019inciter les lyc\u00e9ens \u00e0 prendre part \u00e0 des projets p\u00e9dagogiques innovants et \u00e0 contribuer \u00e0 \u00e9veiller les vocations scientifiques.
                  \nLe cosmod\u00e9tecteur est le \u00ab descendant \u00bb de la Roue Cosmique d\u00e9velopp\u00e9e par J. Busto au Centre de Recherche des Particules de Marseille (CPPM). L\u2019op\u00e9ration \u00ab Cosmos \u00e0 l\u2019\u00e9cole \u00bb est issue d\u2019une collaboration entre l\u2019IN2P3, le CPPM et le CERN.
                  \nIl est depuis de nombreuses ann\u00e9es au lyc\u00e9e Marcel Rudloff et mis \u00e0 disposition des coll\u00e8gues de l\u2019acad\u00e9mie qui souhaiteraient l\u2019utiliser.<\/p>\n","protected":false},"author":17,"featured_media":1951,"comment_status":"closed","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[26],"tags":[42],"class_list":["post-1950","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-pole-scientifique","tag-physique-chimie"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/lyceerudloff.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1950","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/lyceerudloff.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/lyceerudloff.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/lyceerudloff.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/users\/17"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/lyceerudloff.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1950"}],"version-history":[{"count":7,"href":"https:\/\/lyceerudloff.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1950\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":2676,"href":"https:\/\/lyceerudloff.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1950\/revisions\/2676"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/lyceerudloff.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/media\/1951"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/lyceerudloff.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1950"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/lyceerudloff.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1950"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/lyceerudloff.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1950"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}