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Posté par Redbran le Lundi 06/07/2015 à 00:00
Un télescope à l’ombre cosmique du château d’eau
Chacun de nous est traversé en permanence par des particules, appelées muons, issues de l’interaction du rayonnement cosmique naturel avec l’atmosphère terrestre. En utilisant des détecteurs issus de la recherche fondamentale, une équipe du SPhN et du Sédi a récemment mis au point (Graphie) un petit télescope muonique d’une très grande précision permettant de reconstruire la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) de ces particules. L’intérêt ? Utiliser l’absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le...) de ces muons dans la matière pour imager l’intérieur d’un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction...). Une première muographie du château d’eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) du Centre de Saclay a permis de valider le fonctionnement de ce télescope en imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit par impression...) statique (Le mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut être employé comme :) et même dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :). Le tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) avec 25W, soit une ampoule basse consommation.


L'expérience WatTo (Water Tower) installée auprès du château d'eau

La tomographie muonique

Des particules très énergétiques produites aux quatre coins de l’Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) bombardent la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...) en permanence. L’énergie phénoménale de ces particules peut atteindre 10 millions de fois celle des protons accélérés au LHC du Cern. Heureusement pour le développement de la vie (La vie est le nom donné :), l’atmosphère terrestre joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la bouche et à mastiquer.) le rôle d’un bouclier protecteur dans lequel ces particules vont initier des cascades de réactions, appelées gerbes cosmiques. Ces réactions donnent naissance à des particules, les muons, qui sont suffisamment pénétrantes pour arriver jusqu’au sol. C’est ainsi qu’une pluie (La pluie désigne généralement une précipitation d'eau à l'état liquide tombant de nuages vers le sol. Il s'agit d'un...) continue et invisible de muons nous traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir...) à chaque instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.), à raison de un par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est...) dans une main (La main est l’organe préhensile effecteur situé à l’extrémité de l’avant-bras et relié à ce dernier par le poignet. C'est un organe destiné à saisir et manipuler des...) à l’horizontal (Horizontal est une orientation parallèle à l'horizon, et perpendiculaire à la verticale. Une ligne horizontale va « de la gauche vers la droite » ou...) (un peu plus pour une main de basketteur). Le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus...) de muons est modulé selon l’angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) d’observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...), il est en particulier maximal au zénith et nul à l’horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline en physique, philosophie, littérature, et bien d'autres domaines :). Outre cette dépendance bien connue, le flux est aussi déterminé par la quantité et la densité de matière présente dans la ligne de visée. Un flux de muons faible signalera par exemple la présence d’un objet épais et/ou dense. La mesure de ce flux permet donc d’imager une structure en densité, c’est le principe de la tomographie muonique. Là où la photographie ne voit que la partie superficielle d’un objet, la muographie peut percer un volcan (Un volcan est un relief terrestre, sous-marin ou extra-terrestre formé par l'éjection et l'empilement de matériaux issus de la montée d'un magma sous forme de lave et de tephras...), un mur (Un mur est une structure solide qui sépare ou délimite deux espaces.) ou autre blindage. Ses applications sont donc nombreuses: volcanologie, hydrologie, prospection minière ou archéologique, contrôle aux frontières, voire génie civil. L’utilisation de cette technique requiert en revanche des détecteurs robustes, de grande taille et de très grande précision, ce qui a longtemps empêché son développement.



Dôme Showa-Shinzan du volcan Usu au Japon tomographié avec d'autres types de détecteurs © Tanaka e tal., Geo. Res. Lett. 34 (2007), L22311

Un télescope muonique avec des Micromegas

Depuis de nombreuses années, le Sédi développe des détecteurs toujours plus performants destinés aux expériences de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) nucléaire et de physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi physique des hautes...). Parmi eux, le Micromegas est un détecteur gazeux à micro-pistes qui allie une excellente résolution spatiale (environ 0,1 mm) et un coût de revient compétitif. Il équipe déjà de nombreuses expériences à travers le monde (Le mot monde peut désigner :), et a connu en 10 ans plusieurs améliorations significatives tant sur sa fabrication (technologie bulk (Bulk est un mot anglais signifiant volume. Dans l'industrie informatique ce terme caractérise un produit livré en quantité, de façon minimaliste (parfois sans accessoires)...), 2006) que sur sa robustesse (pistes résistives, 2010). En 2012, un concept de multiplexage (Le multiplexage est une technique qui consiste à faire passer deux ou plusieurs informations à travers un seul support de transmission.) a permis de réduire considérablement la quantité d’électronique nécessaire, diminuant du même coup son prix et sa consommation. Il est désormais possible de combiner tous ces ingrédients, et de fabriquer des grands Micromegas de 50 cm x 50 cm, 2D, résistifs et multiplexés. Leur caractérisation en labo a montré des niveaux d’efficacité de plus de 97% en 2D, et 4 d’entre eux sont utilisés en continu depuis plus d’un an pour tester les nombreuses exportations de Micromegas de l’Irfu: Clas12 (USA), Minos (Japon), M-Cube, Compass, Asacusa et bientôt NSW (CERN).

Ces détecteurs innovants ont des résolutions spatiales très largement supérieures aux détecteurs utilisés actuellement dans des expériences de tomographie muonique, et plusieurs simulations sont venues confirmer ce potentiel dans différentes configurations (scan d’un container, imagerie du sol ou d’un volcan). En revanche, ces applications nécessitent un environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux...) particulièrement hostile et nouveau – l’extérieur – pour des détecteurs habitués aux atmosphères chaleureuses des halls expérimentaux. Un petit télescope constitué de 4 détecteurs 2D a donc été mis au point et installé au pied du château d’eau du Centre de Saclay dans le but de démontrer les capacités des Micromegas pour l’imagerie muonique. Il est équipé d’un PC format carte de crédit (carte Hummingboard) pour l’acquisition (En général l'acquisition est l'action qui consiste à obtenir une information ou à acquérir un bien.) et le stockage des données, ainsi que le pilotage des hautes tensions. Ces hautes tensions sont délivrées par des modules miniatures sur 12 V intégrés sur une carte réalisée au Sédi. L’électronique DREAM est celle développée pour le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration...) Clas12 et utilise les signaux des détecteurs pour le déclenchement de la lecture (mode auto-trigger). L’ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude...) du dispositif ne consomme que 25 W. Une petite bonbonne de 20 L complète le dispositif et assure une autonomie en gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à...) de près de 2 mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.). Le télescope est actuellement branché sur secteur, mais sera dans un second temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) mis sur batterie pour valider son fonctionnement 100% autonome.


Les détecteurs micromegas utilisés dans l'expérience WatTo

Résultats et perspectives

Les premières mesures ont révélé que l’efficacité du dispositif, c’est-à-dire la probabilité de reconstruire un muon (Le muon est, selon le modèle standard de physique des particules, le nom donné à deux particules élémentaires de charge...) traversant le télescope, fluctuait significativement entre le jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du...) et la nuit, et plus précisément avec la température. Contrairement au fonctionnement en labo, des écarts de température de plus de 30°C ont été enregistrés, modifiant notablement le gain et donc l’efficacité des détecteurs. Une régulation des hautes tensions vis-à-vis de la température a été mise en place, permettant de stabiliser considérablement l’efficacité globale, aux alentours de 90%. De plus petites variations, attribuées cette fois à la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.), sont encore observées, et seront bientôt corrigées.

La simple reconstruction de la trajectoire des muons dans le plan du château d’eau fournit la muographie de la structure, visible sur la figure 1. Contrairement à une photographie, la muographie n’a pas un éclairage homogène, car la distribution angulaire des muons n’est pas uniforme. On distingue malgré tout plusieurs détails sur l’image brute, ainsi que l’eau dans la partie inférieure de la cuve qui entraîne un déficit en muons de l’ordre de 50%.


figure 1: muographie du château d’eau comparée à la photographie classique
Un suivi dynamique a également été effectué en étudiant les variations du flux de muons traversant la cuve, visibles sur la figure 2. Malgré la petite taille de ce télescope, la vidange de la cuve est détectée en seulement quelques heures (L'heure est une unité de mesure  :) (augmentation du flux de muons associée), et montre que la sensibilité de l’instrument correspond aux simulations effectuées.
Ces résultats très encourageants ouvrent de nombreuses perspectives d’applications. Plusieurs contacts ont déjà été noués avec des volcanologues et les Monuments Historiques dans le but de réaliser un télescope de 1 mètre carré doté d’une autonomie de plusieurs mois pour sonder un édifice volcanique ou un site archéologique. La possibilité de réaliser des détecteurs cylindriques est également envisagée pour la prospection minière.


figure 2: variations du flux de muons dans la cuve sur 2 semaines. L’augmentation soudaine du flux correspond à la vidange du château d’eau

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Source et images: CEA/IRFU