Responsable : Alexandre Zabi, Nous contacter
Enseignants : Luca Cadamuro, Pierre Chopin

1. Objectifs
La physique des particules (ou subatomique, corpusculaire, des hautes énergies suivant les époques) a pour but de dégager une vision unifiée de l'ensemble des forces de la nature : électromagnétique, nucléaire faible, nucléaire forte et ultimement gravitation. Si la récente découvertes au CERN d'un boson compatible avec le Higgs du Modèle Standard, nécessite des installations conséquentes, il est possible sur paillasse de se familiariser avec les concepts expérimentaux de base à l'aide des rayons cosmiques ou de sources radio-actives, et de (re)faire des mesures.

2. Organisation
Le modal d'interaction fondamentale offre la possibilité à 4 binômes de travailler sur l'une des thématiques suivantes : rayons cosmiques et temps de vie du muon ; diffusion Compton, et mise en évidence de la relativité restreinte ; annihilation matière-antimatière ; radio-activité et imagerie Béta.

Sur les 9 séances, la première est consacrée à une courte introduction théorique, revue des règles de sécurité et découverte du matériel ; les 3 ou 4 suivantes laissent le temps de comprendre le matériel à partir des principes fondamentaux et d'en régler les paramètres ; un oral d'« entrainement » individuel permet d'échanger avec les autres binômes (et de corriger les incompréhensions résiduelles) ; le reste des séances sert aux mesures. Un maximum de liberté d'opération est laissé aux binômes sur les objectifs (mesures, test d'hypothèse), ainsi que sur les moyens (analyses, calculs, simulations).

3. Aperçu

3.1.    Diffusion Compton

                                                                                          Dessin 1: Modèle pour la simulation GEANT4 du dispositif

La diffusion élémentaire d'un photon de haute énergie (~MeV) sur un électron individuel a été découverte par Arthur Compton en 1923. Dans cette réaction l'électron peut acquérir une vitesse relativiste, ce qui peut être mis en évidence par l'étude de la cinématique de la réaction et la mesure de l'angle et de l'énergie du photon diffusé par spectrométrie gamma (Crystal de NaI). Inversement, la masse de l'électron peut-être relativement bien mesurée, une fois les biais systématiques déterminés, soit par calcul soit par simulation détaillée (par le logiciel Geant4). Cette étude ouvre la voie à la mesure de la section efficace de Klein-Nishina, pour ceux qui aiment les défis.

 3.2             Annihilation matière-antimatière

                                                                                          Dessin 2: Imagerie fonctionnelle du cerveau par la TEP

De l'antimatière est produite autour de nous à chaque instant : dans les rayons cosmiques, ou dans le processus de désintégration radioactive ß+ (pour les noyaux présentant un excès de protons). Dans ce dernier cas, ce sont des positrons qui sont produits, et vont rapidement s'annihiler avec un des électrons de la matière en une paire de photons de 511 keV. Il est proposé ici de jouer au physicien et de mettre en évidence ce «nouveau » phénomène, et de le distinguer par exemple d'un effet de physique nucléaire classique, par l'étude de la cinétique de la réaction en spectrométrie gamma en coïncidence.

Alternativement, ce mécanisme est utilisé en médecine par l'imagerie par tomographie par émission de positrons (TEP) ; le dispositif expérimental minimum au MODAL permet néanmoins d'étudier les performances et limites de cette technique d'imagerie médicale.

Ce même dispositif peut également être utilisé pour se familiariser à spectroscopie nucléaire (par ex. cascades de désintégration de l'152Eu).

3.3.               Imagerie Béta.

Le MODAL dispose d'un imageur Béta permettant de faire des cartes 2D de la radioactivités ß dans un échantillon plan. Grâce à une amplification gazeuse importante (~106), suivant le principe qui est utilisé dans les chambres à fils et les compteurs Geiger-Müller, chaque désintégration laissant une trace dans l'imageur sera visible sous la forme d'une étincelle. Elles sont enregistrées par une caméra CDD, et l'image moyenne analysée et corrigée.

Dessin 3 : Image moyenne de 6 sources de 14C (ici en saturation pour l'étude du bruit)

Après réglage de l'appareil et étalonnage, l'étude des mécanismes de diffusion et absorption fine des rayonnements ß est proposée à l'aide de sources de différentes énergies.

3.4.              Étude du rayonnement cosmique

Nous sommes baignés en permanence par un flux de particules d'origine cosmique, à raison d'une particule par seconde et par surface de main (en ignorant les neutrinos), essentiellement des muons. À l'aide d'un appareillage extrêmement simple il est possible de mesurer leur distribution angulaire. Celle-ci est liée à la distribution en énergie du rayonnement primaire heurtant la haute atmosphère via le temps de vie du muon, augmentée par les effets relativistes. L'utilisation des cosmiques commence à avoir des applications pratiques de « muongraphie » d'objets (très) lourds : volcans, pyramide, ...

Dessin 4 Principe (gauche) et mesure (droite) de la densimétrie par muongraphie du Puy de Dôme, laissant apparaitre la chambre magmatique.