Où va l'énergie

La mesure des énergies des particules élémentaires de haute énergie ouvre la voie à de nouvelles découvertes en physique des particules.Sehwook Lee,John HauptmanetRichard Wigmansdécrire comment les développements récents dans le domaine des calorimètres contribuent à faire progresser le domaine

Les physiciens des particules utilisent des calorimètres d’un type ou d’un autre depuis environ 70 ans. Le principe de base de ces instruments performants est simple : l'idée est de mesurer les énergies de particules élémentaires comme l'électron, le proton et le neutron, ainsi que celles produites artificiellement comme les pions et les kaons, en les envoyant dans un milieu dense où elles interagir. Chaque interaction produit davantage de particules à des énergies plus basses, qui interagissent également avec le milieu, et le processus se poursuit jusqu'à ce que l'énergie de la particule d'origine soit complètement épuisée. En intercalant le milieu d'interaction avec des détecteurs de détection de charge et en additionnant les signaux enregistrés, nous pouvons obtenir une mesure de l'énergie totale de la particule initiale.

Une « pluie » de particules induite par un électron de haute énergie est illustrée dans l’image ci-dessus. Ici, les particules chargées de la gerbe (électrons et antiélectrons, ou positrons) sont rendues visibles via une chambre à brouillard : un type de calorimètre classique appelé calorimètre à échantillonnage. Le développement de ces gerbes de particules est très aléatoire. Le nombre de particules générées dans la gerbe, N, est une mesure directe de l'énergie, E, de la particule initiatrice. N suit une distribution de Poisson donc les fluctuations aléatoires de N sont égales à √N et, par conséquent, la précision relative de N, qui est la résolution énergétique, est √N/N. La résolution énergétique est une formule simple, σE/E ≈ k/√E. Ce calorimètre à chambre nuageuse a k ≈ 85 % lorsque E est exprimé en unités GeV (pour référence, l'énergie de masse au repos d'un proton est d'environ 1 GeV) ; pour un calorimètre d'échantillonnage électromagnétique moderne, k est généralement de 10 % ou mieux.

Les énergies électroniques sont faciles à mesurer dans les calorimètres car ces particules interagissent via la force électromagnétique, avec seulement deux interactions simples autorisées. En revanche, les particules soumises à une force nucléaire forte (telles que les protons, les neutrons, les pions et les kaons – collectivement appelés hadrons) interagissent par une multitude de mécanismes très fluctuants, avec des complications supplémentaires liées à la rupture des noyaux et à l'énergie dépensée pour les énergies de liaison nucléaire. .

L'énorme complexité d'une pluie de hadrons est illustrée sur la figure 1, qui montre les résultats d'une simulation (créée à l'aide du code GEANT4 du CERN) d'un proton de 500 GeV entrant dans un absorbeur de cuivre. Les hadrons chargés sont représentés en bleu tandis que les électrons et les positrons sont en rouge. Visuellement, l'intensité de la couleur indique la quantité d'énergie perdue par les particules et représente le signal généré par le calorimètre.

Les interactions des particules dans des averses comme celle-ci constituent un domaine de recherche complexe mais très important en physique des particules, et dans le cadre du projet R&D RD52 du CERN, nous les étudions à l'aide d'un nouveau type de calorimètre (les résultats complets du projet sont disponibles sur www.phys .ttu.edu/~dream, où l'on peut visualiser une collection de gerbes hadroniques induites par des protons dans un absorbeur de cuivre). Ces instruments à « double lecture » sont fabriqués à partir de cuivre ou de plomb et entrecoupés de deux types de fibres optiques : des fibres scintillantes qui détectent toutes les particules chargées et des fibres claires dans lesquelles la lumière Tchérenkov est générée principalement par les électrons et les positrons de la gerbe. Ces deux signaux très différents provenant d'une gerbe sont utilisés en combinaison pour extraire une mesure très précise des énergies des hadrons – y compris, plus important encore, les énergies des « jets » de particules résultant de la fragmentation d'un quark ou d'un gluon produit dans des interactions fondamentales telles que ceux étudiés au Grand collisionneur de hadrons du CERN et dans d'autres installations à travers le monde.

Un calorimètre spécialement conçu pour mesurer ces jets de particules est représenté sur la figure 2. Il est constitué de fibres de 1 mm de diamètre réparties entre 1,5 mm et uniformément intercalées dans un absorbeur en cuivre. La taille de cet absorbeur est dictée par les distances d'interaction caractéristiques des électrons et des hadrons. La distance sur laquelle un électron va interagir et produire plus de particules est appelée longueur de rayonnement et est d'environ un centimètre pour la plupart des métaux (y compris le cuivre). La distance correspondante sur laquelle un hadron va interagir est connue sous le nom de longueur d’interaction nucléaire. C'est considérablement plus long, généralement 20 à 30 cm, et il faut plusieurs longueurs d'interaction nucléaire pour absorber complètement une gerbe hadronique. La différence est évidente dans la gerbe simulée de la figure 1, qui montre les hadrons chargés en bleu parcourant de plus longues distances avant d'interagir. Les électrons et les positons de couleur rouge interagissent clairement à une échelle beaucoup plus courte. Les points rouges poivre et sel évidents dans tout le volume sont des électrons issus de la diffusion Compton de photons de faible énergie (environ 1 MeV) qui ont une section efficace minimale pour interagir à cette énergie et se dispersent donc spatialement dans le calorimètre.