[PDF] Cahier pédagogique « COSMOS à lÉcole »

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Cahier pédagogique

Plan d"équipement

"COSMOS à l"École»

Version 2.1

(29 mai 2017)

Sommaire

I Le cosmodétecteur

5

1 Présentation du cosmodétecteur

6

1.1 Description générale

6

1.2 Les scintillateurs

7

1.2.1 Fonctionnement

7

1.2.2 Composition

8

1.2.3 Détection des muons pour le module Temps de vie

8

1.3 Les raquettes

8

1.4 Les photomultiplicateurs

9

1.4.1 Principe

9

1.4.2 Couplage et efficacité

10

1.4.3 Mesure des impulsions en sortie du photmultpilicateur

10

1.5 Électronique du détecteur

11

1.5.1 Le discriminateur

12

1.5.2 Principe de la coïncidence

12

2 Fiches techniques de réglage de l"appareil

16

2.1 Prise en main de l"appareil

16

2.2 Réglage de la tension des photomultiplicateurs

20

2.3 Le temps mort

23

3 Exemples de mesures

25

3.1 Influence des seuils de détection

25

3.2 Distribution angulaire des muons

27

3.3 Provenance des muons : utilisation du module Cerenkov

29

3.4 Temps de vie des muons : utilisation du module temps de vie

30

4 Compléments - Traitement statistique des résultats

34

4.1 Cas de la distribution zénithale des muons

34

4.1.1 Introduction au modèle utilisé

34

4.1.2 Traitement avec le logiciel Regressi

34

4.1.3 Traitement avec un tableur

37

4.2 Cas du temps de vie du muon

40

4.2.1 Introduction au modèle utilisé

40

4.2.2 Traitement préalable

41

4.2.3 Traitement avec le logiciel Regressi

42

4.2.4 Traitement avec un tableur

45
1

Livret pédagogique du cosmodétecteur 2

5 Ressources49

5.1 Ressources pédagogiques

49

5.2 Bibliographie sur le traitement statistique des résultats

49

II Compléments en physique des particules

50

6 Les rayons cosmiques

51

7 Physique des détecteurs

55

7.1 Interaction avec la matière

55

7.1.1 Quelques exemples d"interaction entre particule et matière

55

7.1.2 Effet Cerenkov

59

7.2 Application aux détecteurs

60

7.2.1 Détecteurs à ionisation

61

7.2.2 Détecteur à semi-conducteurs

61

7.2.3 Détecteurs à scintillations

62

7.3 Détecteurs à scintillations

62

7.3.1 Détecteur Cerenkov

62

8 Relativité restreinte

64

8.1 Les insuffisances de la mécanique classique non relativiste

64

8.2 1905:lasolutionproposéepar EINSTEINoulanaissancedelarelativitérestreinte 65

8.3 Dilatation des durées

65

9 Le muon et la relativité restreinte

68

9.1 Le muon, une particule relativiste

68

9.2 Temps de vie du muon

69

10 Zoologie des particules

72

10.1 Bref historique

72

10.2 Le Modèle Standard

74

10.2.1 Les particules élémentaires du Modèle Standard

74

10.2.2 Les interactions fondamentales

76

11 Ressources80

11.1 Des pistes documentaires

80

11.2 Bibliographie sur les compléments en physique des particules

81

III Annexes

82

Mesure et incertitude

83
Étude statistique de l"erreur aléatoire de comptage 88

Ajustement de données

108

Lexique114

Code python pour le temps de vie

118

Livret pédagogique du cosmodétecteur 3

Documents pédagogiques

120

Index152

Table des figures

1.1 Cosmodétecteur en fonctionnement relié à l"ordinateur. 6 1.2 Photo du scintillateur utilisé pour la mesure du temps de vie du muon 7 1.3 Photomultiplicateurs utilisés dans le cosmodétecteur. 9 1.4 Principe de fonctionnement d"un photomultiplicateur. 10 1.5

Cable LEMO/BNC

11 1.6 Allure du signal de sortie des photomultiplicateurs. 11 1.7 Principe du fonctionnement de l"électronique du cosmodétecteur 12 1.8

Signal en coïncidence de deux PMs

13 1.9 Exemple des différentes configurations possibles de coïncidence 14 1.10

Principe des coïncidences

14 2.1 Détermination de la tension d"alimentation du PM3. 22
2.2

Détermination de l"efficacité du PM3.

23
2.3

Résultat de la mesure du temps mort

24
3.1 Réglage de la tension de seuil optimale pour PM1 et PM2 en coïncidence 26
3.2 Figure représentant l"angle d"arrivée d"un muon dans l"atmosphère 27
3.3

Photo des rapporteurs du cosmodétecteur

28
3.4 Distribution angulaire de la direction d"arrivée des muons. 28
3.5

Principe de la mesure Cerenkov

29
3.6

Mise en évidence de la provenance des muons

30
3.7

Interface logicielle du temps de vie du muon

32
3.8 Copie d"écran du fichier de données pour le temps de vie 32
3.9 Courbe du temps de vie du muon pour une prise de données de 15 jours 33
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