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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 » > des objets fins, jusqu’à plusieurs semaines voire plusieurs mois pour les mesures en transmission de très gros objets (fig. 2). Par ailleurs, l’absence de muons remontants nécessite de devoir toujours placer des détecteurs en contrebas, et le plus en dessous possible des objets (b). Les instruments de la muographie Depuis les premiers compteurs Geiger et les chambres à brouillard du début du XX e siècle, de nombreux types de détecteurs de particules ont été mis au point pour la recherche fondamentale. Malgré tout, la muographie requiert des critères spécifiques qui ne sont pas forcément ceux de la physique des particules. En premier lieu, les instruments doivent être d’assez grande taille – typiquement plusieurs dizaines de centimètres au moins – pour pallier le flux modeste de muons. Ils doivent également être précis, pour extraire le maximum d’information de chaque muon enregistré. Pour les utilisations en extérieur, leur consommation Précision (résolution spatiale) Compacité de l’instrument 62 Reflets de la Physique n°63 Émulsions nucléaires électrique peut aussi être un élément important, ainsi que leur (trans)portabilité et leur robustesse aux chocs ou aux conditions environnementales. Réunir tous ces critères simultanément n’est pas chose aisée, surtout si on ajoute le critère (universel celui-là) du prix de revient. Il existe ainsi aujourd’hui essentiellement trois technologies de détection utilisées en muographie, dont les caractéristiques sont résumées dans le tableau 1. Les émulsions nucléaires, à base d’halogénures d’argent, dont le principe est très similaire à la photographie argentique. Ces détecteurs ont une excellente résolution spatiale et ne nécessitent pas d’alimentation électrique. Ils sont en revanche sensibles à l’environnement extérieur (dégradation des films selon la température et l’humidité) et requièrent une longue analyse a posteriori, les empêchant d’obtenir des images en temps réel ou en dynamique. Les scintillateurs plastiques, dans lesquels les muons produisent de la lumière convertie en signal électrique. Ces détecteurs sont particulièrement Scintillateurs Détecteurs gazeux quelques μm 3 à 20 mm 0,2 à 0,6 mm excellente (quelques cm) médiocre ( 2 m) bonne ( 50 cm) Robustesse fragile robuste robuste Consommation électrique Sensibilité aux conditions extérieures Temps d’exposition maximal Obtention des images Imagerie dynamique nulle sensible aux températures supérieures à 25°C et à l’humidité quelques dizaines de W quelques dizaines de W insensible très peu sensible 3 mois infini infini plusieurs mois (développement, analyse) temps réel temps réel non oui oui Tableau 1. Caractéristiques des trois différents types de détecteurs utilisés en muographie. robustes, insensibles aux conditions environnementales, et permettent une imagerie en temps réel. Leur résolution spatiale est en revanche plutôt médiocre, limitant la compacité des instruments et la qualité des images obtenues. Les détecteurs gazeux, généralement à base d’argon, dans lesquels les muons produisent un signal électrique par ionisation. À l’instar des scintillateurs, ils sont robustes et fonctionnent en temps réel, mais disposent d’une résolution 10 à 50 fois meilleure. Historiquement, cette technologie est la plus récente, et offre à l’heure actuelle un excellent compromis en combinant les principaux avantages des deux précédentes. Muographie de pyramides La possibilité de sonder la structure interne de très grands objets a suscité un intérêt pour cette technique dès le milieu du XX e siècle. En effet, la présence de cavités sur le trajet des muons se traduit par un excédent du nombre de muons transmis à travers l’objet. Dans les années 1960, le physicien américain Luis Alvarez entreprend de sonder la pyramide de Khéphren à Gizeh. Deuxième plus grande pyramide après sa voisine de Khéops, la pyramide de Khéphren aiguise particulièrement l’intérêt d’Alvarez et des archéologues, puisqu’on ne connait d’elle qu’une seule chambre, dite de Belzoni, située au centre de sa base. La configuration est donc idéale pour un instrument de muographie, et le potentiel de découverte réel. Malgré un appareillage encombrant et encore rudimentaire, et malgré les troubles du moment (c), l’équipe du professeur Alvarez recueille plusieurs mois de données et parvient à reconstruire la forme globale de la pyramide. Mais aucune structure inconnue n’apparait sur les images. L’Histoire retiendra, un peu ingrate, qu’Alvarez n’a rien trouvé, alors qu’Alvarez explique avoir trouvé qu’il n’y avait rien... Dans les années 2000, à l’heure où la muographie se réveille après trente ans de quasi-hibernation, un autre projet voit le jour au Mexique, pour sonder la pyramide du Soleil sur le site de Teotihuacan. Lorsqu’il apprend l’existence d’un tunnel menant au centre de cette pyramide, le professeur Arturo Menchaca entreprend la réalisation d’un télescope à
1 Chambre du Roi Chambre de la Reine muons à base de détecteurs gazeux (chambres à fils). L’adaptation de l’instrument au terrain difficile et la campagne de mesures s’étalent sur près d’une décennie, et les données sont comparées au fur et à mesure avec des simulations du flux de muons attendu. La correspondance est excellente, et permet de déceler une légère sous densité de plusieurs dizaines de mètres dans l’édifice. Si les médias s’emparent aussitôt de ces résultats en annonçant que la pyramide risque l’effondrement tel un château de sable, l’analyse des données et leur interprétation fine en termes d’architecture interne sont toujours en cours. 8 100 6 5 4 0 0 3 2 «Big Void» Grande galerie 3. Coupe Nord-Sud de la pyramide de Khéops, montrant les grandes structures connues. Le «ScanPyramids Big Void», situé au-dessus de la Grande Galerie, mesure environ 30 mètres de long. tanθ y a 1 B «Big void» 0 A -1 -1 0 1 tanθ x 8 100 7 6 5 4 3 2 Δy 0 En 2015, une nouvelle grande mission est lancée en Égypte. Baptisée ScanPyramids [5], elle réunit des scientifiques égyptiens, japonais, français et canadiens dans le but de sonder les quatre plus grandes pyramides de la IV e dynastie  : les pyramides rouge et rhomboïdale à Dahchour, et les pyramides de Khéphren et Khéops à Gizeh. Conçue et coordonnée par Mehdi Tayoubi (Institut HIP [6]) et le professeur Hany Helal (Université du Caire) sous l’autorité du Ministère des Antiquités égyptiennes, ScanPyramids propose d’étudier ces édifices à l’aide des dernières techniques développées en muographie, mais aussi en imagerie thermique et -100 0 0,8 -1 1 -1 tan% 1,4 1,4 1,2 1,2 1 -100 0 0,8 -100 0 100 Δx b c 1 tan (φ) 1 0 -1 -1 0 LI Explorer le terrain 0 aérienne (drones). Côté muographie, dès 2013 deux équipes japonaises de l’Université de Nagoya (K. Morishima) et du centre japonais KEK de recherches sur les particules (F. Takasaki) sont contactées. Après l’annonce du lancement de la mission en octobre 2015, le CEA propose sa participation et rejoint officiellement la mission en avril 2016. Pour la première fois, les trois technologies majeures de la muographie se retrouvent sur un même site et une même collaboration. Après une première campagne de mesures dans la pyramide rhomboïdale, les émulsions de Nagoya sont installées dès le début 2016 dans le couloir descendant et la Chambre de la Reine de la pyramide de Khéops (fig. 3). Le grand télescope à scintillateur du KEK, également prévu pour la Chambre de la Reine, commence les prises de données à l’été. Côté CEA, trois télescopes à base de Micromegas – un détecteur gazeux à micro-pistes – se déploient en extérieur autour de la pyramide au mois de juin. Ces choix d’emplacements sont techniques, mais aussi stratégiques. Techniquement, les émulsions sont trop fragiles et le scintillateur trop peu précis pour être installés à l’extérieur. Les télescopes du CEA, précis et robustes, ont encore besoin d’un renouvellement de gaz en continu pour compenser les fuites résiduelles et le dégazage des différents matériaux. Stratégiquement, ce déploiement permet aussi de sonder des zones complémentaires de la pyramide. » > tan (θ) 10 3 10 2 10 1600 800 0 1000 600 0 141,3 ±28,3 141,8 ±24,7 4. Muographies obtenues par l’Université de Nagoya (a), le KEK (b) et le CEA (c), démontrant l’existence du «ScanPyramids Big Void». Un nombre de muons élevé se traduit par une couleur plus rouge (a et c) ou blanche (b). Sur l’image (a), la Chambre du Roi (A) et la Grande Galerie (B) sont également visibles. L’image (b) est obtenue en soustrayant le flux de muons attendu, ce qui laisse apparaitre uniquement les structures inconnues (le «Big Void» apparaît comme une ligne blanche verticale). Sur l’image (c), les rectangles blancs indiquent les excédents de muons des deux histogrammes de droite. Ces deux excédents correspondent à la Grande Galerie (en bas) et au «Big Void» (en haut). tan (θ) tan (θ) Reflets de la Physique n°63 63



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