Interaction particules-matière - Détecteurs

Les détecteurs sont des ensembles capables de mesurer les propriétés des rayonnements (masse, charge, trajectoire…), un par un, et dans une géométrie 4 π le plus souvent : à titre d’exemple, le détecteur central de Delphi au CERN (détecteur de microvertex) est constitué de 3 x 10⁷ cellules de détection correspondant à 126 000 voies de signaux à traiter, pour identifier toutes les trajectoires des particules créées dans une réaction e⁺ + e⁻ à 100 GeV dans le centre de masse. Dans ce cas-là, la particule dépose une infime partie de son énergie dans chaque plan de détecteurs traversé, ce qui permet la reconstitution de sa trajectoire. Les caractéristiques complémentaires des particules sont mesurées par d’autres détecteurs comptés eux aussi par dizaines de milliers, ainsi l’énergie de la particule est mesurée dans des détecteurs massifs (calorimètres) qui l’arrêtent totalement.

La physique du XX^e siècle se caractérise par l’observation indirecte des phénomènes étudiés, l’œil n’étant plus adapté à la perception directe de ces phénomènes, contrairement à tout ce qui se pratiquait jusqu’alors. On peut précisément dater de 1895, et la découverte des rayons X par Wilhelm Conrad Röntgen, et la détection indirecte d’un phénomène physique : c’est la fluorescence d’un écran de platinocyanure de baryum qui révéla (indirectement) à l’œil de Röntgen l’émission de rayons X provenant d’un tube à décharges électriques.

La détection d’un rayonnement ionisant (directement ionisant comme une particule chargée, ou indirectement ionisant comme les photons X et γ ou les neutrons) revient à prélever tout ou partie de l’énergie du rayonnement et à la transformer sous une forme plus maniable : à la suite des ionisations créées par la particule sur son passage, les charges positives (ions) et les charges négatives (électrons) peuvent être séparées sous l’action d’un champ électrique : cela donne naissance à un courant électrique. C’est sur ce principe que fonctionnent les détecteurs gazeux (chambre d’ionisation, compteur Geiger-Müller, chambre proportionnelle multifil…), les détecteurs liquides à l’argon par exemple, les détecteurs solides à semi-conducteurs comme les jonctions Si et Ge. Lorsque les charges créées par l’ionisation primaire ne sont pas séparées, il y a recombinaison qui peut s’accompagner d’émission de lumière dans le cas des scintillateurs, d’un « effet mémoire » du milieu traversé (émulsions, chambres à bulles…), d’une élévation de température (détecteurs thermiques) et d’autres phénomènes moins décelables.

Dans le cas des scintillateurs, l’énergie perdue par le rayonnement dans une certaine épaisseur de matière va se retrouver sous forme d’un certain nombre de photons de luminescence (proportionnel à l’énergie transférée) ; un capteur approprié (tube photomultiplicateur, photodiode) se chargera de transformer ce nombre de photons en un courant électrique proportionnel. Dans le cas des détecteurs gazeux et des semi-conducteurs, on fait l’économie d’une étape puisque l’énergie transférée est directement transformée en un nombre de charges, donc en un courant proportionnel. On est ainsi amené à définir la quantité d’énergie W nécessaire pour produire un élément de réponse du détecteur : il faut W » 3 eV pour créer une paire électron-trou dans un semi-conducteur, W » 35 eV pour créer une paire électron-ion dans un gaz et W » 150 eV pour créer un photoélectron dans un ensemble scintillateur + tube photomultiplicateur. Pour une même énergie déposée dans le milieu détecteur, la « quantité d’information » sera d’autant plus élevée que W est petit : cela se traduit directement sur la dispersion de la réponse du détecteur considéré.