Une nouvelle technologie innovante pour détecter les neutrinos
Publié par Adrien le 11/10/2019 à 08:00
Source: CNRS IN2P3
Les scientifiques de la collaboration ProtoDUNE au CERN ont commencé à tester un tout nouveau prototype de détecteur de neutrinos, en utilisant une technologie très prometteuse, appelée "double phase". Si les premiers résultats obtenus se confirment, cette nouvelle technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) sera utilisée à une plus grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une...) pour l'expérience internationale DUNE (Une dune est un relief composé de sable. Des dunes, dites « dunes hydrauliques », peuvent se former et se déplacer sous la mer. Toutes les dunes étant composées de sable, on ne parle pas de...) aux États-Unis. Les scientifiques français du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) et du CEA jouent un rôle de premier plan dans le développement et la mise en route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire creusée dans la roche, pour ouvrir le chemin.) de ce détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a...) innovant.

L'expérience internationale DUNE, dont le démarrage est prévu d'ici à 2026 au Fermilab, près de Chicago (Chicago est une mégapole des États-Unis, située dans la partie nord du Middle West, à 1 280 kilomètres à l'ouest de New York et à plus de 3 200 kilomètres au...), aura pour mission d'éclaircir les mystères des neutrinos, les particules de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de...) les plus abondantes de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). Mais ces neutrinos sont des particules extrêmement difficiles à détecter, traversant la matière par milliards chaque 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...) sans laisser de trace (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de certification et de notification basé sur internet...). Les détecteurs de l'expérience DUNE seront donc des détecteurs à la fois géants et extrêmement précis.

Depuis la fin du mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) d'août, un des deux prototypes testés au CERN dit "double phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :)" enregistre ses premières traces de particules. Avec 800 tonnes d'argon liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), ce démonstrateur fait à peu près la taille d'une maison (Une maison est un bâtiment de taille moyenne destiné à l'habitation d'une famille, voire de plusieurs, sans être considérée comme un immeuble collectif.) de trois étages. L'autre prototype dit "monophase" - en fonctionnement depuis septembre 2018 - utilise une technologie éprouvée qui sera utilisée pour construire le premier module du détecteur DUNE.


Trace produite par un rayon cosmique (Le rayonnement cosmique désigne de manière générale le flux de particules de haute énergie (c'est-à-dire relativistes) présent dans tout l'Univers. Il s'agit pour sa partie chargée...), observée dans le détecteur ProtoDUNE double phase en août 2019. On peut y voir l'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en gagnant des charges n'est plus neutre...) provoquée par le muon (Le muon est, selon le modèle standard de physique des particules, le nom donné à deux particules élémentaires de charge positive et négative. Les muons ont une...) dans l'argon liquide et l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) électromagnétique induite. Image: ProtoDUNE

DUNE sera composé de deux détecteurs qui observeront les neutrinos produits sur le parcours du faisceau. L'un proche de la source sera situé au Fermilab et l'autre installé 1 300 km plus loin au laboratoire souterrain de Sanford, dans le Dakota du Sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.) à 1,6 km sous 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 croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des...). La détection des neutrinos dans DUNE utilisera de très gros volumes d'argon liquide (70 000 tonnes d'argon en tout), utilisé à la fois comme cible pour les neutrinos incidents et de milieu de détection. L'utilisation d'une chambre à projection (La projection cartographique est un ensemble de techniques permettant de représenter la surface de la Terre dans son ensemble ou en partie sur la surface plane d'une carte.) temporelle ou TPC, véritable chambre à bulle moderne, permet de reconstruire en trois dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son...) une image précise de 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.) des particules, d'identifier leur nature et leur dépôt d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) dans le détecteur. La technologie monophasée fonctionne avec de l'argon liquide uniquement, tandis que la technologie double-phase utilise aussi une couche d'argon en phase gazeuse au-dessus du liquide qui permet d'amplifier les signaux des particules.

Cette nouvelle technologie, plus novatrice, présente plusieurs avantages qui pourraient bien changer la donne. Le gain obtenu avec des détecteurs fonctionnant dans la phase gazeuse permettra d'abaisser les seuils de détection, ce qui sera crucial par exemple pour détecter des neutrinos issus de supernovæ. La résolution spatiale sera également meilleure. Un autre avantage majeur de la technologie en double phase: tous les composants électroniques pour l'amplification (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.) des signaux sont situés dans la couche gazeuse près du sommet du détecteur et resteront donc accessibles même une fois le détecteur rempli d'argon liquide.

Cette technologie double phase est actuellement portée par les équipes françaises du CNRS et du CEA et implique des scientifiques aux États-Unis, au Royaume-Uni, au Japon, en Espagne, en Suisse et au CERN. Un intense programme de R&D, dès 2006, a conduit à la construction de ce démonstrateur de 6x6x6 m^3 qui devra valider l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui...) des choix techniques avant la construction d'un module taille réelle pour DUNE (un module de détection DUNE abritera l'équivalent en taille de vingt prototypes de détecteurs biphasés et fonctionnera à haute tension (La tension est une force d'extension.) jusqu'à 600 000 volts.)


Intérieur du détecteur protoDUNE double phase photographié en cours de construction au CERN en février 2019. Image: Max Brice/CERN

La communauté française est impliquée sur l'ensemble des points clés technologiques de cette solution innovante, aussi bien sur les aspects des détecteurs dans la phase gazeuse (au CEA/Irfu à Saclay), sur l'électronique de lecture de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne...) (à l'IP2I à Lyon), sur l'électronique de lecture de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement...) de scintillation (à l'APC à Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la...) et au LAPP à Annecy), sur l'acquisition (En général l'acquisition est l'action qui consiste à obtenir une information ou à acquérir un bien.) de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) (à l'IP2I), sur la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet un...) ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport individuel de type Personal Rapid Transit (PRT), autrement dit un moyen de transport automatique...) précise des plans de détection, dits 'CRP', (au LAPP), sur la mécanique des cheminées permettant l'accès à l'électronique (au LAL à Orsay) ou sur la conception des algorithmes de reconstruction. Ce projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une...), amené à prendre de l'ampleur, suscite un fort intérêt dans la communauté. Une équipe du LPSC à Grenoble vient d'ailleurs de le rejoindre.

Le prototype double phase collecte actuellement des rayons cosmiques puis recevra à partir de 2021 à la fin du long arrêt technique du LHC (LS2), des particules du supersychrotron à protons (SPS) du CERN.

La collaboration DUNE compte plus de 1000 scientifiques et ingénieur·es de plus de 30 pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²),...) répartis sur cinq continents: Afrique (D’une superficie de 30 221 532 km2 en incluant les îles, l’Afrique est un continent couvrant 6 % de la surface...), Asie (L'Asie est un des cinq continents ou une partie des supercontinents Eurasie ou Afro-Eurasie de la Terre. Il est le plus grand continent (8,6 % de la surface totale terrestre ou...), Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme...), Amérique (L’Amérique est un continent séparé, à l'ouest, de l'Asie et l'Océanie par le détroit de Béring et l'océan Pacifique; et à l'est, de l'Europe...) du Nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) et Amérique du Sud.
Page générée en 0.591 seconde(s) - site hébergé chez Amen
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique