Comment sont-ils détectés ?

Écrit par E.THIBAULT le . Publié dans Comment détecter les muons ?

Le muon se forme dans les hautes couches de l'atmosphère à une altitude d'environ 10000 à 20000m. Son temps de vie théorique dans son référentiel propre est de τ0=2,197 µs.

Il a également, dans ces conditions, une vitesse très proche de celle de la lumière : environ 0,9997c, soit 2,9979.108m.s-1. Statistiquement ces données devraient lui permettre de parcourir seulement une distance d0 proche de 660m au cours de sa vie :

 

 

Figure 3 : Schéma de l'arrivée théorique et réelle du muon


Or, on parvient à le détecter à la surface de la Terre, plus de 9km plus bas. (fig 3)

Cette nette différence entre la distance théorique et la distance réelle s'explique grâce à la relativité restreinte et la théorie de dilatation du temps. Le muon se déplaçant à une vitesse très proche de celle de la lumière, son temps de vie va être plus long dans le référentiel terrestre.

Le facteur de dilatation du temps γ se calcule en fonction de la formule suivante, que l'on applique aux muons :   

Cet indice nous permet de calculer le temps de vie apparent τ1 du muon :

Et on en déduit la distance d1 que le muon a en fait le temps de parcourir :

Grâce à sa très grande vitesse, le muon peut donc parcourir près de 27km dans le vide ; on comprend alors qu'une grande proportion des muons créés en altitude atteignent la surface de la Terre.

Notre lycée a obtenu grâce au programme Sciences à l’École une machine appelée cosmodétecteur, qui permet de détecter les muons. Cette machine comporte trois parties principales : le scintillateur, le photomultiplicateur et la partie électronique, reliée à l'ordinateur via un logiciel.

Les raquettes du scintillateur sont composées d'un matériau plastique transparent, et utilisent le principe de la fluorescence : les muons, ou toute autre particule, qui traversent la raquette excitent des molécules du matériau, qui vont se désexciter immédiatement, en émettant un photon.

Mais ce courant est trop faible pour être détecté directement ; il faut donc l'amplifier, et c'est le rôle du photomultiplicateur (PM) (fig4). Ce système est composé d'un tube à vide dans lequel sont disposées à intervalles réguliers des électrodes, maintenues sous des tensions croissantes. Le tube doit donc être maintenu sous haute tension pour fonctionner. Dans le cas de notre machine, nous avons utilisé les PM1 et 3 que nous avons alimenté de tensions de 950V et 1000V (on règle les tensions à l'aide du logiciel sur l'ordinateur, après avoir branché la machine sur une alimentation secteur, puisqu'elle comprend un convertisseur).

Figure 4 : Schéma du photomultiplicateur


Revenons donc au photon émis par la fluorescence du plexiglas. Il va être réfléchi contre les parois du scintillateur, jusqu'à atteindre la première électrode du photomultiplicateur, appelée photocathode. Cette plaque est sous une tension positive assez faible. L'énergie du photon incident permet à un électron d'être arraché de cette plaque et de franchir le vide la séparant de la plaque suivante (dynode), un peu plus chargée (environ 100V de plus) et donc attirant l'électron.

Celui-ci, grâce à l'accélération qu'il subit en traversant le vide, possède une grande énergie cinétique en frappant la dynode. Cet apport d'énergie va arracher à la dynode environ 4 nouveaux électrons : c'est le phénomène d'émission secondaire.

Ces électrons vont à leur tour être accélérés vers la plaque suivante, et ainsi de suite; au bout de 10 émissions secondaires, ce n'est plus un seul électron mais un million d'électrons qui arrivent sur la dernière électrode : le courant qu'ils vont engendrer est alors suffisant pour être détecté.

La dernière électrode, appelée anode, collecte les électrons secondaires émis par la dernière dynode et les concentre dans un courant électrique, qui va être analysé par la partie électronique du cosmodétecteur.

Le signal est d'abord analysé par un module appelé discriminateur, qui va conserver ou éliminer les signaux en fonction de leur intensité ; un courant de tension trop faible va être considéré comme du bruit indésirable et va être discriminé. Les signaux retenus sont transformés en un signal carré d'amplitude constante et de durée réglable par l'utilisateur (fig5). Dans notre cas, le seuil de discrimination était fixé à 40mV.

Figure 5 : Exemple de signaux discriminés ou non



Le problème qui survient ici est que chaque signal que l'on obtient à la sortie du discriminateur ne correspond pas forcément à un muon ; en effet, il peut avoir été déclenché par une autre particule au niveau du scintillateur, ou résulter du bruit de fond thermique du photomultiplicateur, assez conséquent. En revanche, les muons sont les seules particules qui ont a capacité de traverser à la fois le premier et le second scintillateur, et ce quasiment en même temps ; en effet, leur vitesse est tellement élevée que si la particule est bien un muon, alors on observe un signal similaire à la sortie des deux photomultiplicateurs, avec à peine quelques nanosecondes de décalage.

C'est pour cela qu'un second module utilise le principe de coïncidence, qui va analyser les signaux produits à la sortie de deux photomultiplicateurs différents, afin de retenir uniquement ceux présents sur les deux à la fois.