1) Termes décrivant les détecteurs individuels ou - NPAC

v.4
16/09/2008
PETIT GLOSSAIRE
DU PHYSICIEN EXPERIMENTATEUR
EN PHYSIQUE DES PARTICULES, EN ASTRO-PARTICULES
ET EN PHYSIQUE NUCLEAIRE
Philippe Schune et Jean-Paul Tavernet
(*)
Dans ce document seront explicités quelques mots et expressions fréquemment employés par les
personnes travaillant au plus près des détecteurs dans le domaine de la physique des particules, des astroparticules et de la physique nucléaire.
Remarques :
i) Cette liste est certainement très incomplète et les expressions imparfaitement classées. Nous
espérons néanmoins qu’elle puisse vous être utile pour la consultation de documents dans le domaine des
détecteurs et lors de votre mini-stage en laboratoire.
ii) Vous constaterez qu’il y a de nombreux anglicismes c’est pourquoi, autant que possible, les
termes français et anglais sont indiqués (ce dernier en italique).
Remerciements (aux relecteurs) : J.Ernwein et H.Blumenfeld.
1) Termes décrivant les détecteurs individuels ou les assemblages de
détecteurs :
Partie centrale/vers l’avant d’un détecteur (Barrel / End-cap detector) : la partie centrale d’un détecteur
est traduite par barrel et les bouchons où parties vers l’avant par end-cap. La partie centrale d’un détecteur
couvre généralement l’angle allant de θ = 0 à 45° ou encore entre η=0 et η= 1.3-1.4. Voir à « pseudo
rapidité ».
Cascade électronique (electron cascade) : dans un détecteur à gaz, les électrons sont captés par l’anode. A
l’approche de celle-ci et si la géométrie le permet, le champ électrique accélère les électrons primaires qui
vont à leur tour ionisent le gaz et produisent ainsi une cascade d’électrons secondaires (amplifiant ainsi le
signal recueilli).
(*)
[email protected], CEA-Saclay, IRFU
[email protected], IN2P3-LPNHE, Université Paris VI
Photomultiplicateur ou PM (Photomultiplier): capteur de lumière très sensible (en général au photoélectron) et très rapide (temps de montée ~ ns). L’amplification du signal se fait, après la photocathode, par
une succession de dynodes placées à des potentiels croissant.
Dynode : chacune des anodes internes d’un PM et servant petit à petit à l’amplification du signal.
Post-impulsion (Back pulsing) : un PM dont le vide n’est pas parfait, contient des atomes dont les électrons
peuvent être excitées et ces électrons, en revenant sur leur couche de masse, créer des photons qui vont à
leur tour créer un nouveau signal (sur la photocathode) : donc un deuxième pulse, après le premier - celui
réellement intéressant-. Moins le vide sera parfait, plus le nombre de post-impulsions sera grand.
Retour de flux magnétique (return yoke) : les lignes de champ magnétique sont des lignes continues et
dans le cas d’un aimant solénoïdal, les lignes de champ externes à celui-ci sont parfois « canalisées » dans
des matériaux magnétiques –Fe–, donc à fort mu, entourant l’aimant. Cet arrangement permet de ne pas
perturber l’électronique d’autres détecteurs et est parfois équipé de détecteur à muon (qui seront disposés
entre ces plaques de Fe).
Fer instrumenté (instrumented iron) : Fer servant au retour du champ magnétique d’un aimant et équipé de
détecteur de particules. En général, le fer instrumenté est situé à la périphérie des détecteurs et sert de
spectromètre à muons.
« Apprentissage » d’un aimant supraconducteur par quench (magnet training) : dans le cas des aimants
supraconducteurs, lors de leur fonctionnement, ceux-ci sont soumis à des forces électromagnétiques
importantes (de l’ordre de la tonne/mètre). Au cours des premières montées en courant, l’aimant peut subir
de petites déformations sous l’action de ces forces, créant ainsi des échauffements locaux, faisant perdre la
supraconduction. On dit alors que l’aimant « quench ». Le courant est remis à zéro puis remonté, et peut en
général monter à des valeurs plus élevées : il subit ainsi un « apprentissage » (training).
Chambre à dérive (drift chamber): détecteur à gaz ou le passage d’une particule crée des électrons
d’ionisation qui seront détectées après dérive sur un fil d’anode et dont les paramètres d’utilisation sont tels
que le détecteur puisse détecter le point de passage des particules avec une précision de l’ordre de ~100
microns. Ainsi ce qui est mesuré est le temps de dérive des électrons d’ionisation vers la cathode a partir
d’un temps de référence fourni par exemple par un scintillateur externe. Ce temps de dérive est une fonction
de la position du passage de la particule incidente.
Calorimètre (calorimeter) : les calorimètres sont des détecteurs qui absorbent complètement les particules
incidentes et mesurent leur énergie. Ils sont constitués de matériaux lourds : par ex. Plomb pour les
calorimètres électromagnétiques (EM) qui mesurent les électrons et les photon ; par ex. Fer pour les
calorimètres hadroniques (Had). Les particules incidentes provoquent de multiples interactions dans ces
matériaux ; ces gerbes de particules dont l’importance est fonction de l’énergie incidente sont détectées par
le milieu sensible du calorimètre qui peut être de l’argon liquide ou du scintillateur. Certains calorimètres
(ex. CMS) utilisent un matériau lourd lui-même scintillant. Les caractéristiques principales d’un calorimètre
sont : l’acceptance, la résolution, la profondeur exprimée en longueur de radiation (EM) ou longueur
d’interaction (Had). L’utilisation de calorimètres est la seule façon réaliste de mesurer l’énergie des
particules neutres de haute énergie (photons, neutrons).
A noter, qu’au niveau du sol, l’épaisseur d’atmosphère est de ~23X0 (ce qui est mis à profit par les
expériences au sol cherchant à détecter des rayons cosmiques).
Détecteur de pied de gerbe (preshower) : élément de calorimétrie placé devant le calorimètre lui-même.
Ce détecteur possède une segmentation fine et sert à identifier les électrons.
Trajectographe (Tracker) : détecteur(s) de traces chargées. Celui-ci doit comporter peu de matière ; on dit
qu’il doit être le plus « transparent » possible (de l’ordre de 1.X0 ou moins) afin de minimiser les
interactions secondaires et ne pas perturber les mesures faites en fin de trace.
Détecteur à rayonnement de transition ou TRD (Transition Radiation Detector) : détecteur basé sur le
rayonnement de transition. Ce type de détecteur est en général composé d’une succession de feuilles
plastique (dans l’air) ainsi que de détecteur permettant d’identifier les X-mous parfois produits (par dE/dx).
Détecteur interne ou ID (Inner Detector) : Dans un détecteur auprès d’un collisionneur, le détecteur
interne correspond à toute la partie avant le calorimètre électromagnétique. Il s’agit d’un ensemble de
détecteurs de traces qui mesurent l’impulsion des particules chargées.
Déclenchement ou système de déclenchement (trigger) : appareillage électronique et informatique qui
traite les signaux des détecteurs en temps réel pour sélectionner le plus rapidement possible les événements
qui méritent d’être enregistrés afin d’être analysés ultérieurement par des programmes d’analyse off-line.
Energie transverse, impulsion transverse (Et, pt) (transverse energy, transverse momentum) : par raison
de symétrie des faisceaux initiaux, lors d’une collision de particules, l’énergie et l’impulsion transverse sont
conservées. On a donc après la collision et après la création de nouvelles particules une conservation de
l’énergie transverse et de l’impulsion transverse qui sont donc nulles dans l’état final. Une énergie
transverse totale non nulle dans l’état final est, en général, une signature de création de neutrino(s).
Temps mort, en unité de temps ou plus fréquemment en % (dead time) : temps pendant lequel un détecteur
est inefficace. L’origine de cette inefficacité est variable et peut dépendre de l’électronique associée à ce
détecteur ou au temps de réponse intrinsèque du détecteur lui-même.
Efficacité de détection, en % (detection efficiency) : rapport entre le nombre d’événements traversant le
détecteur et le nombre d’événements détectés (parfois, l’efficacité peut dépendre de la résolution du
détecteur considéré : ainsi pour une mesure donnée, plus on demande à avoir une bonne résolution sur cette
mesure, plus l’efficacité sur cette mesure va être faible).
Punchthrough (ou « fuite de gerbe », mais cette traduction est imparfaite...) : dans un calorimètre EM ou
Had, un certain nombre de particules peuvent s’échapper vers l’arrière du détecteur lors du processus de
gerbe. Ces particules sont appelées punchthrough. Les muons issus de désintégration de particules de basse
énergie de la gerbe sont la principale source de particules punchthrough.
Energie manquante (missing energy) : un neutrino interagit très faiblement avec la matière ; lorsqu’un
neutrino produit dans un détecteur possède une énergie significative, cette énergie « manquante » est
indétectable. Auprès d’un collisionneur, on peut néanmoins la déterminer par différence entre l’énergie
totale disponible (énergie du centre masse dans la collision de deux protons d’un collisionneur) et la somme
de l’énergie de toutes les particules détectées de l’événement.
Energie disponible dans le centre de masse (center of mass energy) : c’est l’énergie utile qui sera
utilisable dans la réaction que l’on étudie. Auprès d’un accélérateur hadronique (comme le LHC) une
fraction seulement de l’impulsion des protons interagissant sera utile à la production de nouvelles
particules. Il s’agit de la fraction d’énergie portée par chacun des constituants du proton qui vont interagir
entre eux (quarks et/ou gluons).
Fer doux (mu metal) : alliage à base de Fe ayant un µ très élevé (plusieurs milliers de µ0). Cet alliage est
utilisé afin de blinder les PM du champ magnétique terrestre.
Chambre à multi-fils (MWPC ou Multi Wire Proportional Counter) : chambre multi-fils aussi appelée
« chambre Charpak ». Elles sont en général constituées d’un plan de fils d’anode (ou l’on recueille le
signal) entouré d’un plan de cathode. La résolution sur la position de passage des traces est inférieure au
mm.
Compteur Geiger-Müller (Geiger-Müller counter) : détecteur gazeux travaillant à une très haute tension,
dans lequel le signal induit par le passage d’une particule chargée va créer une avalanche primaire, ellemême créant par réaction en chaine, de multiple « avalanches » tout le long du fil d’anode de ce compteur.
Fenêtre en quartz (quartz window) : fenêtre en quartz1 permettant le passage des photons dans le domaine
de l’UV. Ce matériau est bien adapté aux longueurs d’onde de la lumière émise par les scintillateurs.
Photocathode (photocathod) : désigne la fenêtre d’entrée de la lumière dans un photomultiplicateur. Le
matériau est donc photoémissif (un électron va être arraché par le photon incident). Matériau fréquemment
employé pour cette fenêtre : alcalin (composant de la 1ère colonne du tableau périodique des éléments) en
association ou multi-alcalin (ex. Na-K-Sb-Cs).
Translateur de longueur d’onde (Wave Length Shifter ou WLS) : se dit d’un scintillateur liquide ou solide
contenant un composant organique qui absorbe la lumière émise par le scintillateur et la réémet à une
longueur d’onde plus élevée et mieux adaptée aux fenêtres d’entrée des détecteurs optiques. Les WLS sont
souvent utilisés sous formes de fibres optiques pour diriger la lumière vers les détecteurs.
Chambre à projection temporelle (Time Projective Chamber ou TPC) : détecteur gazeux permettant en
général de reconstruire une traces chargées spatialement grâce, d’une part à la mesure du signal de dE/dx
par association de fils d’anode et de strips de cathode, et d’autre part par une mesure temporelle des
signaux.
Mode Geïger-Müller (Geïger-Müller mode): mode de fonctionnement d’un détecteur gazeux ou tout un
canal de détection « flash » au passage d’une particule chargée. L’étincelle, ou flash, ainsi créée a une
durée de l’ordre de la milliseconde dans le détecteur (rendant celui-ci inactif pendant ce temps).
Mode streamer (streamer mode) : mode de fonctionnement d’un détecteur gazeux ou la cascade
électronique créée au passage d’une particule chargée va être multiple.
Mode proportionnel (proportional mode) : mode de fonctionnement d’un détecteur gazeux ou la quantité
de charge électrique recueillie va être proportionnelle au dépôt d’énergie de la particule incidente.
Pseudo-Rapidité (η) (pseudo rapidity/ η) : unité angulaire utilisée auprès des accélérateurs hadroniques.
Elle s’exprime en fonction de l’angle θ par rapport au faisceau de particules incidentes : η= -ln[tan(θ/2)].
Relation r-t (r-t relation) : dans une chambre ou des tubes à dérive on mesure le temps que mettent les
électrons d’ionisation pour atteindre la cathode. Ce temps est relié par la « relation r-t » à la position de la
particule incidente dans le détecteur. Les paramètres qui interviennent sont : la nature du gaz, le champ
électrique, la pression, la température …
Granularité / segmentation (granularity) : taille (planaire) d’un détecteur. La granularité est à ajuster en
fonction des bruits de fond attendus, de la présence d’autres événements pouvant être spatialement et/ou
temporellement proches, etc…
Jet (jet) : un jet de particules est un ensemble de particules hadroniques issues du « rhabillage » des quarks
ou gluons produits au point d’interaction.
Photodiode (photodiode) : diode sensible à la lumière et fournissant un signal électrique quand on l’éclaire.
1
Le terme plus approprié pour quartz est plutôt le dioxyde de silicium (SiO2).
Angle de Lorentz (Lorentz angle) : en présence d’un champ magnétique perpendiculaire à l’axe de dérive
des électrons d’ionisation dans un gaz, ceux-ci sont déviés et spiralent jusqu'à l’anode. Par conséquent leur
temps de parcours est rallongé. Il faut donc corriger cet effet grâce à la connaissance du champ magnétique
local. Dans un gaz, ce phénomène est d’autant plus important que la vitesse de dérive des électrons est
« grande ».
Anode (anode) : électrode recevant le signal provenant des électrons.
Cathode (cathode) : deuxième électrode du système de détection.
Espace (gap), pas (pitch): respectivement distance entre deux électrodes, détecteurs, capteurs, etc. et pas
entre deux pistes d’un détecteur.
Pistes, en cm, microns, etc… (strip) : piste d’un détecteur très longue par rapport à la largeur, comme une
bandelette.
Pixel en cm2, µm2, etc… (pad ou pixel) : élément de détecteur de forme approximativement carré.
Passages étanches (Feedthrough) : ouverture(s) permettant le passage de câbles dans une enceinte à vide
ou un cryostat. La difficulté technique réside dans le fait de garder l’étanchéité du détecteur malgré ces
ouvertures. Ces passages sont indispensables pour l’extraction des signaux et pour l’alimentation du
détecteur.
Scintillateur (scintillator) : détecteur dans lequel les particules chargées interagissent et produisent un
signal lumineux. En général le scintillateur est couplé à un photo-multiplicateur (PM) ou un autre photodétecteur. Il existe plusieurs familles de scintillateurs, dont les scintillateurs organiques à base d’atomes de
C et de H.
Bolomètre (bolometer) : type de détecteur qui va, lorsqu’une particule dépose de l’énergie, voir sa
température interne augmenter. Afin d’avoir un signal facilement mesurable, ces détecteurs fonctionnent le
plus souvent à très basse température (quelques Kelvin ou en dessous).
2) Termes décrivant l'interaction des particules avec la matière :
Longueur de radiation, X0 , en cm ou g/cm2 (radiation length) : longueur typique des pertes d’énergies des
particules par rayonnement électromagnétique dans la matière : création de paire (pour les γ),
bremsstrahlung (pour les e+, e- et aussi les µ mais à beaucoup plus haute énergie). Voir aussi à énergie
critique Ec.
Longueur d’interaction, λ I, en cm ou g/cm2 (interaction length) : longueur typique des pertes d’énergies
par interaction forte (voir à spallation). Concerne les hadrons.
Rayon de Molière, RM, en cm ou g/cm2 (Moliere radius) : caractérise le développement transverse des
gerbes électromagnétiques. A peu près 99% de l’énergie d’une gerbe est contenue dans un cylindre de
3,5×RM autour de l’axe de développement de la gerbe.
Particule au minimum d’ionisation ou m.i.p. ou mip (minimum ionising particle). Particule chargée ayant
une énergie telle que sa perte d’énergie ait atteint le minimum, c.a.d. ~2 MeV/(g/cm2) (voir à ionisation).
Perte par rayonnement : processus électromagnétique par lequel les particules perdent de l’énergie dans la
matière. Les pertes d’énergie par rayonnement correspondent à la création de paire (pour les photons et les
muons à très haute énergie) et le rayonnement de freinage (bremsstrahlung) (pour les particules chargées).
Perte par ionisation : processus électromagnétique par lequel les particules chargées perdent de l’énergie
dans la matière. Les pertes d’énergie par ionisation sont bien décrites par la formule de Bethe-Bloch.
Quencheur (quencher gaz) : gaz poly-atomique ayant une section efficace d’absorption des photons UV
importante et qui permet d’atténuer le phénomène « d’emballement » de l’ionisation secondaire dans les
détecteurs à gaz. Par exemple : CO2 , CH4, etc.
Effet Čerenkov (Čerenkov radiation) : rayonnement émis par les particules chargées traversant un milieu
transparent d’indice n avec une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière dans ce milieu (c/n). La lumière
ainsi émise est principalement émise à petite longueur d’onde (photons UV) et dans un cône caractéristique
de l’indice n et de la vitesse de la particule.
Diffusion Bhabha (Bhabha diffusion) : processus de diffusion électron-positron. Ce processus est important
à petit angle de diffusion. Ce processus a servi à contrôler la luminosité du collisionneur LEP.
Section efficace Ramsauer (Ramsauer cross section) : dans un gaz (ou un mélange gazeux), les électrons
de dérive ayant une énergie particulière (énergie de l’ordre de l’électronvolt) peuvent avoir une section
efficace de collision très faible. Le gaz devient ainsi presque transparent à cette énergie.
Electron Auger (Auger electron) : électron éjecté par un atome venant de subir une interaction Compton
(arrachage d’un électron par un photon). Le processus intervient pendant la phase de réarrangement des
électrons des couches atomiques, consécutive à l’ionisation.
Rayon δ (δ-ray): lors de la perte d’énergie d’une particule incidente dans la matière, certains électrons
atomiques peuvent être éjectés avec une quantité importante d’énergie (de l’ordre ou supérieure à la dizaine
de keV) et produire à leur tour de l’ionisation. Ces électrons peuvent s’échapper d’un détecteur et ainsi
biaiser la mesure de perte d’énergie. Par ailleurs ces électrons δ sont ceux expliquant les « queues de
Landau » dans les distribution de perte d’énergie. Ils sont en général émis à grand angle par rapport à la
trajectoire de la particule incidente.
Energie critique Ec en MeV ou GeV (critical energy) : énergie au dessus de laquelle les électrons et muons
perdent principalement de l’énergie par rayonnement (bremsstrahlung). En dessous de cette énergie les
pertes d’énergie se font principalement par ionisation.
Gerbe EM ou Hadronique (EM or Hadronic showers) : à haute énergie ( GeV), dans un détecteur de
type calorimètre, les particules perdent leur énergie par rayonnement (électrons, µ, γ) ou par interactions
fortes (p, n, K+/-, π+/-, etc…) par spallation (voir ce terme). Lors de ce processus le nombre de particules va
se multiplier en même temps que leur énergie va diminuer. Ce processus durera jusqu'à ce que l’énergie
moyenne des particules soit de l’ordre ou en dessous de l’énergie critique du matériau (Ec). Dès lors, les
pertes d’énergie continueront mais par des processus d’ionisation.
Réaction de spallation (spallation interaction) : dans un calorimètre, les hadrons vont pouvoir interagir
avec les noyaux du milieu par spallation et ainsi créer une gerbe hadronique. Dans ce processus, le hadron
incident « traverse » le noyau et éjecte / crée des hadrons secondaires par interaction avec les nucléons du
noyau (par cascade intranucléaire). Ces hadrons secondaires pourront à leur tour avoir de telles interactions
avec d’autres noyaux.
Diffusion multiple (multiple scattering) : déviation angulaire et radiale que subit une particule chargée
traversant une certaine épaisseur de matière. Les déviations angulaire et radiale sont paramétrable via un
angle de diffusion moyen θMult.Scat. ou θ0.
Perte d’énergie : dE/dx en MeV/cm ou 1/ρdE/dx en MeV/(g/cm2) (energy loss) : perte d’énergie d’une
particule traversant une épaisseur dx de matière. Le 1/ρ est parfois (malheureusement) omis même quand
l’unité MeV/(g/cm2) est employée.
Bremsstrahlung : rayonnement électromagnétique émis par une particule déviée (freinée) par un noyau
lors de son passage à travers la matière. C’est l’interaction prédominante au delà de l’énergie critique Ec.
Diffusion/interaction Compton (Compton scattering) : interaction des photons avec les électrons des
atomes du milieu traversé. Cette interaction est la plus probable pour des photons d’énergie ~1 MeV.
Création de paire (pair production) : processus le plus probable pour les photons de haute énergie (au delà
de quelques MeV). Dans le cas des muons de très haute énergie (au delà de plusieurs dizaines de GeV) les
muons perdent principalement de l’énergie par création de paire.
Détecteur de Pied de gerbe (pre-shower detector) : le pied de gerbe est le point (ou zone) d’amorçage
d’une gerbe E.M. ou hadronique (dans un calorimètre pour une expérience auprès d’un collisionneur). Un
détecteur de pied de gerbe sert à différencier les électrons et les hadrons.
Pour une expérience détectant des rayons cosmiques le « pied de gerbe » est l’extrapolation de l’axe de la
gerbe jusqu’au niveau du sol.
Effet Penning (Penning effect) : mécanisme d’ionisation d’un gaz via une collision sur un atome d’un autre
gaz. Exemple : Ne* +Ar → Ne+Ar+e-.
Premier coefficient de Townsend, α (first Townsend coefficient) : coefficient décrivant le facteur de
multiplication des électrons primaires d’une avalanche dans un gaz.
Effet Ramsauer (Ramsauer effect) : variation de la section efficace de collision des électrons avec les
atomes d’un gaz, en particulier lorsque la longueur d’onde de ceux-ci est proche de la distance inter
molécules. Cet effet explique la (presque) transparence d’un milieu pour certaines énergies des électrons.
Energie de seuil d’une réaction (threshold energy) : énergie à partir de laquelle une réaction est possible (à
ne pas confondre avec l’énergie critique). Cela correspond donc à l’énergie minimum requise pour produire,
au repos, les particules secondaires. Par exemple l’énergie de seuil de la création de paire par un photon est
2.me.
Rayonnement de transition (transition radiation) : lorsqu’une particule chargée passe successivement au
travers d’un milieu d’indice n1 à n2 elle peut, sous certaine condition, émettre un rayonnement dans le
domaine des « X mou » (quelques keV).
Longueur d’atténuation en m ou cm (attenuation length) : lorsque des photons traversent un milieu, leur
absorption est caractérisée par une longueur d’absorption (dépendant du milieu).
Fréquence cyclotron d’une particule : ω = qB/m où q et m sont la charge et la masse de la particule et B
l’intensité du champ magnétique dans lequel celle-ci se déplace.
Fluctuation de Landau ou queue de Landau (Landau tail) : perte d’énergie importante (dE/dx), bien au
delà de l’énergie moyenne perdue normalement (prédit par l’équation de Bethe-Bloch). Les pertes d’énergie
par ionisation fluctuent d’autant plus que le détecteur traversé est fin (en X0). Ces fluctuations proviennent
en général des électrons appelés δ-ray.
Energie nécessaire à la création d’une paire électron-ion (WI, en eV) : pour un gaz l’énergie d’ionisation
d’un atome varie d’un élément à l’autre, mais pourtant WI est pratiquement constant pour ceux-ci (et est de
l’ordre de ~30eV). Celle-ci n’est que de ~3,6 eV dans le Silicium (semi-conducteur).
Pic de Bragg (Bragg peak) : lorsqu’une particule perd son énergie par ionisation dans la matière, la perte
d’énergie augmente en fin de parcours. Lorsque cette zone d’arrêt est très localisée (pour un ensemble de
particules identiques) on a donc un dépôt d’énergie localisé que l’on appelle « pic de Bragg ».
Range, en cm ou en g/cm2 : distance qu’une particule peut traverser dans un matériau donné sachant qu’elle
va perdre de l’énergie le long de ce parcours.
Photoélectron (photoelectron) : lorsqu’un photon arrache un électron qui sera détectable, on appelle cet
électron : photoélectron.
Formule de Bethe-Bloch (Bethe-Bloch formula) : formule décrivant les pertes d’énergie moyenne des
particules chargées par ionisation dans la matière. Cette paramétrisation est précise à quelque %.
Straggling : à cause des fluctuations des pertes d’énergie dans la matière, des particules incidentes de même
énergie, peuvent avoir une pénétration différente dans la matière. Ce phénomène est appelé « straggling ».
Coma : en optique, dans le plan focale, l’image d’une source ponctuelle peut être déformée. Elle a parfois
une forme de coma, i.e. une tache lumineuse de forme conique (l’angle du cône est de l’ordre de 60 deg.).
Aberrations, distorsions optique (optical aberration, distorsion) : Dans un système optique, l’image dans
le plan focal peut être déformée par rapport à une image « idéale ». Il y a deux grandes catégories de
déformations de l’image : les aberrations et les distorsions. Les premières caractérisent le fait que l’image
d’un point n’est pas un point (la tache image est élargie et donc le contraste atténué), les dernières
caractérisent le fait que l’image peut être déformée, sans changement de contraste.
3) Termes plutôt orientés sur l'électronique des détecteurs :
Seuil -à fraction constante- ou discriminateur à fraction constante (-constant- fractional threshold) :
circuit électronique permettant de détecter à partir de quel temps un signal électronique dépasse une certaine
« hauteur ». Le fait d’être « à fraction constante » exprime le fait que les différences de temps de
déclenchement sur des signaux d’amplitudes différentes seront corrigées. Dans ce type de circuit le signal
s(t) est transformé selon une loi s(t) → s’(t) = s(t)-s(t+dt)/q avant que ne soit cherché le temps
correspondant au passage au dessus d’un certain seuil fixé par l’utilisateur (q est une constant de l’ordre de
0,2 à 0,5).
HT –haute tension– (HV –high voltage–) : potentiel électrique allant généralement de quelques 100V et au
delà. En général, les câbles HT sont de couleurs rouges.
BT –basse tension– (LV –low voltage–) : tension électrique en général inférieur à quelques 100V.
Plateau de fonctionnement : un détecteur fonctionne de façon optimale en fonction de certains de ces
paramètres (HV, gaz, etc…). Si le fonctionnement est stable pour certains de ces paramètres, autrement dit
ne dépend pratiquement plus des variations de ce paramètre, on dit que l’on atteint une zone de plateau pour
le paramètre considéré. Ce mode de fonctionnement est bien entendu celui qui est recherché pour le
maximum de paramètres afin d’être dans des conditions les plus stables possibles.
Veto ou détecteur fonctionnant en mode « veto » : du point de vue d’une logique électronique, le signal
d’un détecteur en mode veto est mis en anti-coïncidence. Un tel détecteur pouvant être parfois tout à
l’extérieur de l’appareillage afin de détecter certaines particules (par exemple rayons cosmiques,
événements radioactifs externes) ne provenant pas de l’intérieur du détecteur. Son rôle est donc de détecter
des événements de type « bruit de fond » qui sans cela, pourrait être confondu avec de vrais événements.
Pour certaines analyses, il est aussi parfois possible d’utiliser un sous-détecteur interne en « mode veto »
afin de diminuer le bruit de fond à ces analyses.
Vieillissement (ageing) : certains détecteurs soumis à de fortes radiations voient leur fonctionnement se
détériorer avec le temps. Pour un détecteur à gaz, celui-ci se mesure par la charge accumulée en
coulomb/cm au delà de laquelle les qualités du détecteur se détériorent significativement.
Temps/front de montée, en ns (rise time/edge) : le temps de montée d’un signal est la différence de temps
entre le niveau 10% et le niveau 90% du maximum du signal.
Fin de signal, en ns (trailing edge) : temps caractéristique de la fin du signal visible pour les détecteurs à
gaz : ce temps peut être mis à profit pour identifier à quel croisement de faisceau (bunch crossing) la
particule détectée appartient.
Retour de signal (afterglow1), phosphorescence : certains détecteurs (par ex. certains scintillateurs)
peuvent émettre de la lumière un certain temps (décalé) par rapport au moment du dépôt d’énergie (car cela
passe par un état métastable des atomes du milieu). Cette émission lumineuse est appelée phosphorescence
ou afterglow.
Convertisseur analogique numérique (ADC) (Analog to Digital Converter): convertisseur d’un signal
analogique en numérique.
Convertisseur de temps numérique (TDC) (Time to Digital Converter): convertisseur d’un signal
analogique temporel en numérique.
1
Le terme afterglow désigne aussi un signal secondaire après celui détecté, provenant de l'explosion d'une supernova !
Analogique/numérique : un signal analogique est un signal dont la variation en amplitude n’est pas
nécessairement quantifiée, par opposition à un signal numérique qui prend lui des valeurs discrètes (0 ou 1).
Ce dernier est moins sensible au parasite.
Bit/octet (bit/byte) : 1 octet (= 1 byte) = 8 bits.
Echantillonneur n-bits (n-bits converter) : convertisseur d’un signal analogique en numérique avec une
numérisation sur n-bits. Si n=10 alors le signal est enregistré dans une gamme allant de 0 à 1023 (210-1).
Ainsi si l’amplitude du signal à échantillonner est V, le plus petit pas d’échantillonnage sera V/1024.
Flash ADC ou convertisseur ADC rapide (traduction approximative) : boitier/carte d’électronique
permettant la numérisation précise d’un signal (le pas de temps est souvent celui de la nano-seconde).
Piédestal ou Pedestal : niveau « zéro » caractérisant la sortie d’une voie d’électronique en l’absence de
signal d’entrée ou de particules ou de dépôt d’énergie, etc… Il faudra soustraire à tous les signaux, ce signal
de piédestal afin d’obtenir la vraie valeur. En général, il est très important de connaitre le piédestal de
chaque voie d’électronique.
Jitter : fluctuation de la réponse en temps d’un détecteur. Le jitter est intrinsèque au détecteur considéré.
Par exemple sur un PM, le jitter provient du fait que les photons détectés peuvent arriver n’importe où sur
la fenêtre d’entrée du PM, induisant ainsi une fluctuation dans le temps d’arrivée du premier photoélectron
sur la première dynode. Typiquement de quelques dizaines de ps à quelques centaines de nsec.
Slewing : fluctuation du temps nécessaire pour numériser un signal en fonction de son amplitude. Lorsque
l’on cherche à faire des coïncidences temporelles entre des détecteurs ce phénomène peut être limitant. Il est
parfois possible de le corriger (par exemple, par injection de signaux tests de formes connues en entrée de
circuit électronique).
Slew-rate (vitesse de balayage) : temps nécessaire à un amplificateur pour atteindre une tension désirée.
T0 : temps de référence d’un détecteur, d’une voie d’électronique, etc.
Étalonnage / calibration (calibration) : tout test permettant de connaitre la réponse d’un détecteur à un
signal donné. Ceci peut-être fait par un banc d’étalonnage spécial, l’étude de signaux connus, etc.
Circuit de mise en forme d’un signal (shaper) : circuit permettant la mise en forme d’un signal. Utile
quand les signaux peuvent être de formes variables et que la réponse de l’électronique qui suit ce circuit a
une réponse différente selon la forme et/ou l’amplitude du signal (voir aussi slewing).
Linéarité (linearity) : il est important de vérifier la linéarité de la réponse d’un détecteur, c’est à dire que le
signal recueilli est le plus possible proportionnel au signal déposé. L’étalonnage du détecteur permet de
déterminer la « non-linéarité », et permet de corriger ce défaut.
Electronique amont (front-end electronics) : électronique permettant la lecture du signal d’un détecteur.
Tout défaut de cette électronique ne pourra pas, en général, être rattrapé par la suite de la chaîne
d’acquisition.
Chaîne d’acquisition (data acquisition) : ensemble de l’électronique associée à un détecteur ou à un canal
d’un détecteur.
NIM, CAMAC, VME : différents types de standards de modules électroniques. Le plus simple et le plus
ancien étant le NIM (aussi très robuste) n’ayant pas de bus de dialogue entre les modules (à la différence
des deux autres standards). En NIM, le « oui », ou « 1 », caractérisant la présence d’un signal logique, se
traduit par un signal d’amplitude -800mV. Dans les expériences modernes, les fonctions de ces modules
sont regroupées dans des circuits miniaturisés implantés dans des cartes électroniques multicouches.
ASIC ou chip ASIC (Application Specific Integrated Circuit) : circuit imprimé pour des applications
spécifiques à une expérience. C'est une pièce de semi-conducteur de l'ordre de 1cm2 contenant des millions
de composants électroniques (transistors). Le but est de réduire les couts et de contrôler l'ensemble de la
chaine de développement.
FPGA (Field Programmable Gate Array) : en électronique numérique, c'est un circuit intégré
programmable contenant des milliers de portes logiques, de la mémoire ainsi qu’une table de routage
reprogrammable.
Pipeline analogique ou mémoire analogique : ASIC -voir ce terme- permettant de stocker des signaux
analogiques échantillonnés à une fréquence voulue par l'utilisateur et conservés durant une durée définie
par l'utilisateur.
Technologie CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) : une technologie de fabrication de
composants électronique utilisant un seul type de transistors (à effet de champ) donc facile à fabriquer et de
faible puissance consommée.
Caméra CCD (Charged Coupled Device) ou CMOS (Complementary Metal Oxide Semi-conductor) :
capteur de lumière pixélisé. La taille des pixels est de l’ordre de 10 microns. La lecture se fait par un
processus de transfert de charge vertical et horizontal pour le CCD et par lecture directe de chacun des
pixels par une électronique miniaturisée individuelle pour le CMOS.
Technologie SiGe (bi-polaire) : une technologie de fabrication de composants électronique utilisant du
silicium et du germanium contenant des transistors NPN pour augmenter la rapidité par rapport au CMOS
(mais plus cher).
4) Termes plutôt décrivant l'accélérateur (et le point d'interaction) :
Boost de Lorentz (Lorentz boost) : effet décrivant l’allongement de la durée de vie quand on passe du
repère propre de la particule dans le repère du laboratoire. La durée de vie τ0 devient τ = βγcτ0.
Point d’interaction ou vertex (x,y,z) (interaction point -IP-, vertex) : point d’où émergent les particules
issue de la collision. Selon les accélérateurs celui-ci peut varier d’un événement à l’autre. Le terme de
vertex secondaire (secondary vertex) sert à designer le point de désintégration des particules à long temps
de vol (mésons B par exemple).
Temps de croisement des faisceaux (Bunch crossing) : numéro ou temps permettant d’identifier à quel
paquet appartiennent les particules qui sont issues d’un vertex donné. Auprès d’un accélérateur cette
information est importante afin de ne pas mélanger les événements entre eux et surtout afin de ne pas
superposer plusieurs événements à des temps de collisions différents. Le temps de vol des particules dans le
détecteur peut en effet être plus long que la séparation temporelle entre deux événements successifs.
Empilement des événements (Pile-up) : auprès d’un collisionneur, plusieurs interactions peuvent survenir
simultanément à chaque croisement des faisceaux. Selon les accélérateur le pile-up est nul (il n’y a qu’un
croisement maximum par croisement) ou non nul (au LHC le pile-up est en moyenne de 20 événements). La
distribution du nombre d’événements de pile-up suit une loi de Poisson.
5) Termes plus proche des analyses de physique :
Identification de 2 types de particules, par ex. π/e (π/e separation) : S’exprime en « nombre de sigma » en
précisant pour quelle pureté du lot de référence –e ou π–. Ce chiffre exprime la séparation que l’on a entre
un lot de particules étiquetées comme électron par rapport à un lot de particules étiquetées comme pion.
Cette séparation peut s’exprimer en nombre de sigma compte tenu des erreurs de mesure sur chacune de ces
distributions.
Etiqueter, par abus de langage on dit aussi parfois tagger (tag) : identifier une particule comme e ou π,
etc… (à travers les mesures faites sur celle-ci).
On-line / off-line : le « on-line » désigne les programmes qui contrôlent le détecteur pendant son fonctionnement et permet l’acquisition des données. Le « off-line » désigne les programmes qui permettent de
travailler sur les événements pour des analyses ou pour un contrôle, après coup, du détecteur.
Section efficace, en barn ; un barn=10-24 cm2 (cross section) : surface fictive caractérisant la probabbilté
d’interaction entre deux types de particules. Exemple : la section efficace p-p est ~110 milli-barn (mb) au
delà de quelques GeV.
Trace fantôme (fake/ghost track) : trace reconstruite dans un détecteur qui ne correspond pas à une trace
réelle. En général à cause de bruit de fond de particules ou d’électronique.
6)
Divers :
Paire torsadée ou paire twistée (twisted cable) : câble torsadé afin qu’un bruit de fond soit capté par les
deux brins. En effectuant une différence de signal en bout des câbles, le bruit de fond est ainsi -en partieéliminé.
Coup (hit) : en mode binaire on parle d’un coup dans un détecteur comme 1 ; l’absence de coup comme 0.
Largeur à mi-hauteur ou FWHM (full width at half maximum) : Largeur à mi-hauteur d’une distribution.
Dans le cas d’une distribution Gaussienne A0×exp(-(x-x0)2/σ2), la largeur à mi-hauteur est égale à
2√2√ln2×σ.
Seeing (perturbation atmosphérique sur une étoile -traduction imparfaite-) en unité d’angle (minute ou
seconde d’arc) : lors de l’observation au sol d’une étoile, les perturbations atmosphériques peuvent
perturber la position -vue- de l’étoile dans le ciel. La tache résultante est d’autant plus large que le seeing
est important. Pour info, les meilleurs sites d’observations ont un seeing de l’ordre de l’arc-seconde : 0,5" à
Hawaï ; ~1" à La Silla au Chili.
Effet gravitationnel par microlentille (micro-lensing effect) : lorsqu’entre une étoile que l’on observe et
l’observateur, une masse étoile « sombre » passe, il se produit un phénomène de déformation
gravitationnelle de l’image. On a alors une « amplification de lumière par effet de gravitationnelle » : dans
ce cas l’image observée est optiquement amplifiée (ce phénomène est prédit par la relativité générale).
L’étoile « sombre » joue alors le rôle d’une « microlentille » gravitationnelle.
Index 1
1) Termes décrivant les détecteurs individuels
ou les assemblages de détecteurs :
Partie centrale/vers l’avant d’un détecteur (Barrel /
End-cap detector)
Cascade électronique (electron cascade)
Photomultiplicateur ou PM (Photomultiplier)
Dynode
Post-impulsion (Back pulsing)
Retour de flux magnétique (return yoke)
Fer instrumenté (instrumented iron)
« Apprentissage » d’un aimant supraconducteur par
quench (magnet training)
Chambre à dérive (drift chamber)
Calorimètre (calorimeter)
Détecteur de pied de gerbe (preshower)
Trajectographe (Tracker)
Détecteur à rayonnement de transition ou TRD
(Transition Radiation Detector)
Détecteur interne ou ID (Inner Detector)
Déclenchement ou système de déclenchement
(trigger)
Energie transverse, impulsion transverse (Et, pt)
(transverse energy, transverse momentum)
Temps mort (dead time)
Efficacité de détection (detection efficiency)
Punchthrough (ou « fuite de gerbe »)
Energie manquante (missing energy)
Energie disponible dans le centre de masse (center
of mass energy)
Fer doux (mu metal)
Chambre à multi-fils (MWPC ou Multi Wire
Proportional Counter)
Compteur Geiger-Müller (Geiger-Müller counter)
Fenêtre en quartz (quartz window)
Photocathode (photocathod)
Translateur de longueur d’onde (Wave Length
Shifter ou WLS)
Chambre à projection temporelle (Time Projective
Chamber ou TPC)
Mode Geïger-Müller (Geïger-Müller mode)
Mode streamer (streamer mode)
Mode proportionnel (proportional mode)
Pseudo-Rapidité (η) (pseudo rapidity/ η)
Relation r-t (r-t relation)
Granularité / segmentation (granularity)
Jet (jet)
Photodiode (photodiode)
Angle de Lorentz (Lorentz angle)
1
Les termes apparaissent dans l’index dans le même ordre
que dans le document lui-même.
Anode (anode)
Cathode (cathode)
Espace (gap), pas (pitch)
Pistes (strip)
Pixel (pad ou pixel)
Passages étanches (Feedthrough)
Scintillateur (scintillator)
Bolomètre (bolometer)
2) Termes
décrivant
l'interaction
particules avec la matière :
des
Longueur de radiation, X0 (radiation length)
Longueur d’interaction, λ I (interaction length)
Rayon de Molière, RM (Moliere radius)
Particule au minimum d’ionisation ou m.i.p. ou mip
(minimum ionising particle)
Perte par rayonnement
Perte par ionisation
Quencheur (quencher gaz)
Effet Čerenkov (Čerenkov radiation)
Diffusion Bhabha (Bhabha diffusion)
Section efficace Ramsauer (Ramsauer cross section)
Electron Auger (Auger electron)
Rayon δ (δ-ray)
Energie critique Ec (critical energy)
Gerbe EM ou Hadronique (EM or Hadronic shower)
Réaction de spallation (spallation interaction)
Diffusion multiple (multiple scattering)
Perte d’énergie (energy loss)
Bremsstrahlung
Diffusion/interaction Compton (Compton scattering)
Création de paire (pair production)
Détecteur de Pied de gerbe (pre-shower detector)
Effet Penning (Penning effect)
Premier coefficient de Townsend, α (first Townsend
coefficient)
Effet Ramsauer (Ramsauer effect)
Energie de seuil d’une réaction (threshold energy)
Rayonnement de transition (transition radiation)
Longueur d’atténuation (attenuation length)
Fréquence cyclotron d’une particule
Fluctuation de Landau ou queue de Landau (Landau
tail)
Energie nécessaire à la création d’une paire
électron-ion (WI)
Pic de Bragg (Bragg peak)
Range
Photoélectron (photoelectron)
Formule de Bethe-Bloch (Bethe-Bloch formula)
Straggling
Coma
Aberrations, distorsions optique (optical aberration,
distorsion) :
3) Termes plutôt orientés sur l'électronique
des détecteurs :
Seuil -à fraction constante- ou discriminateur à
fraction constante (-constant- fractional threshold)
HT –haute tension– (HV –high voltage–)
BT –basse tension– (LV –low voltage–)
Plateau de fonctionnement
Veto ou détecteur fonctionnant en mode « veto »
Vieillissement (ageing)
Temps/front de montée, en ns (rise time/edge)
Fin de signal, en ns (trailing edge)
Retour de signal (afterglow), phosphorescence
Convertisseur analogique numérique, ADC (Analog
to Digital Converter)
Convertisseur de temps numérique, TDC (Time to
Digital Converter)
Analogique/numérique
Bit/octet (bit/byte)
Echantillonneur n-bits (n-bits converter)
Flash ADC ou convertisseur ADC rapide
Piédestal ou Pedestal
Jitter
Slewing
Slew-rate (vitesse de balayage)
T0
Étalonnage / calibration (calibration)
Circuit de mise en forme d’un signal (shaper)
Linéarité (linearity)
Electronique amont (front-end electronics)
Chaîne d’acquisition (data acquisition)
NIM, CAMAC, VME
ASIC ou chip ASIC (Application Specific Integrated
Circuit)
FPGA (Field Programmable Gate Array)
Pipeline analogique ou mémoire analogique
Technologie CMOS (Complementary Metal Oxide
Semiconductor)
Caméra CCD (Charged Coupled Device) ou CMOS
(Complementary Metal Oxide Semi-conductor)
Technologie SiGe (bi-polaire)
4) Termes plutôt décrivant l'accélérateur (et
le point d'interaction) :
Boost de Lorentz (Lorentz boost)
Point d’interaction ou vertex (interaction point -IP-,
vertex)
Temps de croisement des faisceaux (Bunch crossing)
Empilement des événements (Pile-up)
5) Termes plus proche des analyses de
physique :
Identification de 2 types de particules, par ex. π/e (π/e
separation)
Etiqueter, tagger (tag)
On-line / off-line
Section efficace (cross section)
Trace fantôme (fake/ghost track)
6) Divers :
Paire torsadée ou paire twistée (twisted cable)
Coup (hit)
Largeur à mi-hauteur ou FWHM (full width at half
maximum)
Seeing (perturbation atmosphérique sur une étoile)
Effet gravitationnel par micro-lentille (microlensing effect)