´ Universite Montpellier II Master II Cosmos Champs et Particules Physique Exp´rimentale e Mesure de la masse du Muon Sarah LAGHRIBI ´ Pierre-Francois LEGET ¸ Quentin REMY Table des mati`res e Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I Mat´riel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e I.1 Scintillateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I.2 Photomultiplicateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I.2.1 G´n´ralit´s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e e e I.2.2 Composants du PM et fonctionnement . . . . . . . . . . I.2.3 R´capitulatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e . . . . . . 3 3 3 3 4 4 II Caract´risation d?un PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e II.1 Trac´ du gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e II.2 Tension de sortie en fonction de la distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 6 III Protocole exp´rimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 7 IV Evaluation de la masse . . . . . IV.1 Principe de calcul . . . . . . IV.2 Analyse des donn´es . . . . e IV.3 Discussion des r´sultats . . . e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 . . . . . 9 . 9 . 10 . 11 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Annexe : Tableaux des valeurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 R´f´rences. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 ee 1 2 Introduction Dans le cadre de ce TP du module physique des particules et instrumentation, nous avons cherch´ a d´terminer la masse du muons. La masse du muon vaut 105.6583668 ± e` e M ev 0.0000038 c2 d?apr`s [4]. Le but de ce TP n?est pas d?arriver ` ce niveau de pr´cision, e a e ni m?me de la mesurer pr´cis´ment, mais de se familiariser avec la partie exp´rimentale. e e e e Pour faire cette mesure nous avons a notre disposition comme source de muons les rayons ` cosmiques, et comme mat´riel des scintillateurs plastiques, des photomultiplicateurs, un e trieur, et un ordinateur. Nous pr´senterons, dans une premi`re partie, le mat´riel utilis´ dans cette exp´rience. e e e e e La seconde partie sera consacr´e a la caract´risation du PM. Nous expliquerons ensuite e ` e le protocole exp´rimental. Et en?n nous d´taillerons notre analyse des donn´es ainsi que e e e nos r´sultats sur la masse du muon. e 3 I Mat´riel e Dans le cadre du TP, nous utilisons un photomultiplicateur coupl´ a un scintillateur e` pour d´tecter les ´v´nements. Le r?le de chacun de ces instruments est d´taill´ dans les e e e o e e paragraphes suivants. I.1 Scintillateur Au cours de la manipulation, un ´v´nement enregistr´ correspond au passage de e e e muons dans le dispositif. Cependant seuls les muons qui arrivent dans le scintillateur sont d´tect´s : le scintillateur est la premi`re ´tape de l?exp´rience. e e e e e Un scintillateur est un mat´riau dont les mol´cules ´mettent des photons suite ` une e e e a d´sexcitation ´lectronique provoqu´e par le passage de particules charg´es. On en trouve e e e e plusieurs types, g´n´ralement regroup´s en deux grandes familles : les scintillateurs ore e e ganiques et les inorganiques. Dans les premiers, le processus de scintillation est d? aux u mol´cules composants le mat´riau - plus pr´cis´ment, aux transitions e?ectu´es par les e e e e e ´lectrons de la bande de valence de ces mol´cules. Dans les derniers, la physique se situe e e au niveau de la structure des bandes ´lectroniques des cristaux. Le scintillateur utilis´ e e dans le TP est un scintillateur plastique, donc organique. I.2 Photomultiplicateur Des photons sont ´mis dans le scintillateur. Le r?le du photomultiplicateur (ou PM) e o est d?une part, de convertir le signal enregistr´ en signal ´lectrique, et d?autre part de l?ame e pli?er selon les besoins de l?application. De fait, les PM sont des d´tecteurs extr?mement e e sensibles, certains pouvant ampli?er jusqu?` 160 dB (soit une multiplication de l?amplia tude du signal de 100 millions de fois), ce qui les rend indispensables dans des applications o` d´tecter des photons individuels ` partir d?une source faible est n´cessaire. u e a e Le signal de sortie peut ensuite ?tre pass´ en entr´e d?un autre dispositif, qui se chare e e gera d?e?ectuer les manipulations souhait´es (dans notre cas, le but est de comptabiliser e le nombre de photons). Dans cette section, nous d´crivons le fonctionnement interne du e PM. I.2.1 G´n´ralit´s e e e Le fonctionnement du PM est bas´ sur deux principes physiques bien connus : l?e?et e photo´lectrique, et l?´mission secondaire. e e L?e?et photo´lectrique (EPE), dont la d´couverte en 1905 a valu a Albert Einstein le e e ` prix Nobel de physique en 1921, peut ?tre d´crit succinctement comme la tendance d?un e e mat´riau, g´n´ralement m´tallique, a ´mettre des ´lectrons sous l?e?et d?un rayonnement e e e e `e e ´lectromagn´tique. Une application directe de cet e?et est de produire un signal ´lectrique e e e a ...
