Protocole expérimental / Vie moyenne du muon

Que cherche-ton à mesurer ?

Le muon (symbole μ^–) est une particule élémentaire instable qui se désintègre en un électron, un antineutrino muonique un neutrino électronique via l’interaction faible, selon la réaction : μ^– → e^– + ν_μ + ν_e
Dans cette expérience, nous souhaitons mesurer la durée écoulée entre l’arrivée du muon dans le détecteur et sa désintégration. L’objectif est donc de détecter l’instant auquel arrive le muon, puis celui auquel il se désintègre.
Dans les 2 cas, nous utiliserons la détection par scintillation. Cette technique s’appuie sur le principe de la fluorescence : lorsqu’un rayonnement ionisant (particule chargée ou photon gamma) pénètre dans le matériau scintillateur, il excite les électrons de ce matériau ; lorsque ceux-ci reviennent à leur état d’équilibre, des photons sont émis. Or la quantité de photons émis est directement proportionnelle à l’énergie du rayonnement incident.
Nous allons chercher à détecter ces photons émis par fluorescence lors des passages respectifs des deux particules chargées qui nous intéressent : du muon dans un premier temps, puis de l’électron issu de sa désintégration, et nous mesurerons les intervalles entre ces deux instants.
L’évolution d’une population initiale de muons est décrite par une loi de décroissance exponentielle, comme les phénomènes de radioactivité. Par conséquent il est nécessaire d’acquérir un nombre significatif d’événements pour affiner la statistique sur laquelle nous pourrons mesurer la « durée de vie moyenne du muon ».

Description de l’expérience

Le scintillateur
Nous utilisons un scintillateur liquide de LINEAR ALKYLBENZENE contenu dans le bidon bleu (au centre sur la photo). Cela permet de détecter des phénomènes de fluorescence dans toutes les directions spatiales, de stopper le muon (pour mesurer le temps de demie-vie au repos), et de mesurer la faible énergie de l’électron issu de la désintégration.
Lorsque les muons (et toute autre particule chargée) traversent le liquide scintillateur, il y a émission de photons par fluorescence. Les muons stoppés dans le liquide scintillateur se désintègrent en émettant notamment un électron, qui à son tour va interagir avec le liquide scintillateur et émettre de nouveaux photons.
L’utilisation d’un scintillateur liquide permet de disposer d’un volume plus important que celui d’un scintillateur plastique à coût équivalent. Ce volume est nécessaire pour obtenir une statistique suffisante de désintégrations. D’un point de vue physique, il n’y a pas de différence notable entre la détection par un scintillateur liquide ou plastique.

Il est à noter que toute particule chargée possédant l’énergie nécessaire provoquera la même production de photons par fluorescence.

> Le photomultiplicateur (PM)
Pour détecter les photons émis respectivement par les muons et les électrons issus de leur désintégration, nous utilisons un photomultiplicateur positionné sur le haut du bidon (cylindre gris en haut du bidon bleu, regardant vers le contenu du bidon). Avec ce PM, les photons détectés sont convertis en électrons et donc en courant électrique. Ce courant électrique produit est proportionnel à l’énergie du rayonnement ionisant incident.
Il est à noter qu’ici nous nous intéressons seulement au fait qu’il y ait ou non un signal ; la quantité de courant et donc l’énergie mesurée ne nous importe pas.

Le PM est alimenté avec une alimentation basse-tension ⁺/_– 12V (boite grise en bas à gauche).

> Le comptage et le stockage des données
Les signaux recueillis par les photomultiplicateurs sont envoyés vers la carte d’acquisition QuarkNet (en bas à gauche du bidon), pilotée par un Rapberry Pi.
Les données sont ensuite stockées sur un PC localisé au Pic du Midi avant d’être transférées vers la base de données (localisée à Tarbes).

> Le discriminateur
Au-dessus du bidon de liquide scintillateur, un autre détecteur (cantine verte) est également disposé. Il s’agit d’un scintillateur plastique (comme sur les autres expériences) qui joue le rôle de « discriminateur » ou « veto ». Son rôle est de détecter les muons cosmiques dont on captera aussi le signal dans le bidon (donc d’identifier une coïncidence entre les deux). L’objectif est de nous assurer que les signaux produits dans le bidon sont bien des muons cosmiques et pas d’autres particules chargées, par exemple des produits de la radioactivité naturelle ambiante.

Ce discriminateur n’est actuellement pas en fonction.