Reflets de la Physique n°63 oct/nov/déc 2019
Reflets de la Physique n°63 oct/nov/déc 2019
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°63 de oct/nov/déc 2019

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 68

  • Taille du fichier PDF : 7,6 Mo

  • Dans ce numéro : physique et matérieux anciens.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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L’utilisation de techniques non destructives est souvent une nécessité en archéologie, mais leur mise en pratique peut parfois être délicate. C’est particulièrement le cas de grandes structures qui sont par nature non transportables, exigeant une technologie mobile et des sondes pénétrantes. La muographie répond parfaitement à ce type de besoins, en utilisant des particules très énergétiques issues du rayonnement cosmique naturel. Grâce à des instruments développés pour la physique des hautes énergies, cette technique permet aujourd’hui de sonder des endroits inaccessibles et inexplorés avec une précision inédite. La découverte récente de plusieurs cavités à l’intérieur de la pyramide de Khéops le démontre  : les muons peuvent voir (presque) partout. 60 Reflets de la Physique n°63 Quand les muons cosmiques explorent le cœur de la matière Sébastien Procureur (sebastien.procureur@cea.fr) Département de physique nucléaire, Irfu, CEA – Université Paris Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex Principe de la muographie Il existe aujourd’hui de nombreuses sources, pour la plupart artificielles, de rayonnements et de particules utilisables en imagerie. Selon leur nature, elles peuvent sonder différents types d’objets ou de matériaux, généralement jusqu’à des profondeurs de quelques centimètres voire dizaines de centimètres. Les structures plus profondes nécessitent des énergies ou des pénétrabilités hors d’atteinte des sources artificielles. Pour de tels cas, que l’on imagine très nombreux, la nature a mis à notre disposition une source continue et disponible partout sur Terre  : les muons. Ces particules sont issues du rayonnement cosmique primaire [1], terme impropre et qui désigne un flux de particules chargées – essentiellement des protons et des particules alpha – provenant de diverses sources dans l’Univers. L’énergie cinétique de ces particules primaires est phénoménale, et peut atteindre celle d’une balle de tennis lancée à 150 km/h, soit plusieurs millions de fois les énergies accessibles au grand collisionneur de hadrons du CERN. En arrivant au voisinage de la Terre, ces particules entrent en collision avec les atomes de la haute atmosphère et produisent une myriade d’autres particules  : pions, kaons, électrons, photons... La plupart de ces dernières se désintègrent en vol ou sont absorbées dans l’atmosphère, qui agit ainsi comme un bouclier protecteur. Quelques particules parviennent cependant à franchir ce bouclier et à arriver jusqu’au sol. Il s’agit en grande majorité de muons, cousins instables des électrons – de la famille des leptons – et 207 fois plus massifs. Grâce à leur masse plus élevée, leur perte d’énergie par rayonnement – appelée Bremmstrahlung – est bien plus faible, les rendant beaucoup plus pénétrants que les électrons et donc aptes à sonder de grandes quantités de matière. Le flux de muons au niveau du sol est relativement modeste, de l’ordre de 150 par mètre carré et par seconde, mais se caractérise par une très grande dispersion en énergie, jusqu’au-delà du TeV (10 12 eV). Comme cette énergie détermine directement le pouvoir de pénétration des muons dans la matière, on comprend aisément qu’ils permettent de sonder des objets de tailles très diverses, de quelques centimètres à plusieurs centaines de mètres. En pratique l’imagerie par muons, ou muographie, peut se réaliser de différentes manières, généralement déterminées par le type et la taille de l’objet à étudier [2]. Pour des objets de petite taille (typiquement jusqu’aux dimensions d’un conteneur ou d’un camion), on utilise la muographie par déviation (fig. 1a)  : des détecteurs de particules sont placés de part et d’autre de l’objet, et mesurent la direction des muons en amont et en aval. La distribution des points d’impact et des angles de diffusion permet alors d’accéder à la densité en 3D de l’objet. Les dimensions limites des objets sont déterminées par la surface de détection à instrumenter – en général quelques m² – ainsi que par le floutage de l’image qui apparait à grande opacité (a) à cause de diffusions multiples. Pour les objets plus grands ou plus épais (volcans [3], pyramides, bâtiments...), on privilégie la muographie par transmission (fig. 1b)  : les détecteurs sont placés uniquement d’un côté de l’objet (en contrebas), et enregistrent le
a o D b 1. Dispositifs typiques de muographie en déviation (a) et en transmission (b) d’un objet (en gris), avec des détecteurs de particules (en bleu). Dans le premier cas, la reconstruction des trajectoires en amont et en aval permet de localiser des points de diffusion et leur densité via la déviation angulaire, et ainsi de former une image 3D de la densité de l’objet. Dans le second cas, le flux de muons mesuré dans les différentes directions renseigne sur l’opacité de l’objet, et donc sur sa distribution 2D en densité. a Nina Aldin Thune La grande pyramide de Khéops, sur le plateau de Gizeh en Égypte. 2. Muographie du château d’eau du CEA-Saclay. (a) Muographie brute, obtenue en quatre semaines avec un télescope de 25 m² [4]. (b) Muographie après traitement d’image et lissage (par J. Bobin). On distingue plusieurs détails architecturaux, ainsi que la réserve d’eau (flèche noire) dans la partie inférieure de la cuve, et le vide de l’escalier en colimaçon (flèche jaune) au centre de la cuve. Cette image est à notre connaissance la première muographie en haute définition et reconnaissable d’une structure de grande dimension. b Explorer le terrain flux de muons dans différentes directions. Ce flux est relié de manière directe à l’opacité de l’objet dans la direction d’observation  : plus l’objet est dense ou épais, et plus le nombre de muons détectés en aval sera faible. L’information recueillie dans ce mode est moins complète qu’en déviation, et on ne peut mesurer que la distribution 2D de la densité, moyennée dans l’axe d’observation du détecteur. Il existe également un mode intermédiaire aux deux précédents, appelé muographie en absorption. Ce mode nécessite de placer des détecteurs de chaque côté comme en déviation, mais réalise une image bidimensionnelle comme en transmission. Dans ce cas, les détecteurs situés en dessous de l’objet identifient les muons transmis, et on reconstruit l’image seulement à partir des muons absorbés (et donc non détectés en dessous). Avec un tel dispositif, on peut en fait réaliser les trois types de muographies. L’intérêt de l’imagerie par absorption est d’offrir une alternative pour les objets d’opacité intermédiaire,i.e. trop épais pour la déviation (floutage dû aux diffusions multiples) mais encore trop minces pour la transmission. Si les muons représentent effectivement une source naturelle, gratuite et pénétrante, il existe néanmoins des contraintes d’utilisation pratique. Le flux modeste de particules rend les temps d’acquisition assez longs, de quelques minutes ou dizaines de minutes en déviation pour » > Reflets de la Physique n°63 61



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