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La collaboration AEgIS, dirigée par l'équipe de Christoph Hugenschmidt, travaillant auprès de la source de neutrons FRM II à l'Université technique de Munich, a mis au point un détecteur à partir du capteur de l'appareil photo d'un smartphone, modifié pour réaliser en temps réel des images des points où l'antimatière s'annihile avec la matière.
Ce nouveau dispositif, décrit dans un article qui vient d'être publié dans Science Advances, peut localiser les annihilations d'antiprotons avec une résolution d'environ 0,6 micromètre, c'est-à-dire une résolution 35 fois plus élevée que celle obtenue avec les méthodes en temps réel existantes.
Le nouveau détecteur AEgIS (à gauche) et une sélection d'annihilations d'antiprotons qu'il a pris en photo (à droite).
Les annihilations apparaissent comme des événements en forme d'étoile avec de multiples traces provenant d'un vertex primaire. Les flèches vertes, cyan et oranges indiquent des exemples de fragments nucléaires.
Image: AEgIS/CERN
AEgIS et d'autres expériences à l'usine d'antimatière du CERN, telles que ALPHA et GBAR, ont pour mission de mesurer avec une haute précision la chute de l'antihydrogène dans le champ gravitationnel de la Terre, chaque expérience utilisant une technique différente.
L'approche d'AEgIS consiste à produire un faisceau horizontal d'antihydrogène et à mesurer son déplacement vertical à l'aide d'un dispositif appelé déflectomètre de moiré, qui révèle de minuscules écarts de trajectoire, et d'un détecteur qui enregistre les points d'annihilation de l'antihydrogène.
"Pour qu'AEgIS fonctionne, nous avons besoin d'un détecteur doté d'une résolution spatiale extrêmement élevée ; or les capteurs photo des smartphones comportent des pixels inférieurs à un micromètre, explique Francesco Guatieri, chercheur principal de l'étude. Notre détecteur contient 60 capteurs photo, ce qui lui permet d'atteindre une résolution de 3 840 mégapixels. Ainsi, le nombre de pixels de notre détecteur est à ce jour le plus élevé de tous les détecteurs à imagerie."
"Les plaques photographiques constituaient auparavant la seule option, mais elles ne permettaient pas de travailler en temps réel, ajoute Francesco Guatieri. Notre solution, que nous avons testée avec des antiprotons et directement appliquée à l'antihydrogène, associe en un seul appareil, résolution du niveau d'une plaque photographique, diagnostics en temps réel, auto-étalonnage et bonne surface de collecte des particules."
L'équipe a utilisé des capteurs d'images optiques vendus dans le commerce, dont la capacité de "photographier" en temps réel des positons de faible énergie avec une résolution sans précédent avait déjà été démontrée. "Nous avons dû retirer les premières couches des capteurs, qui sont conçues pour traiter l'électronique intégrée de pointe des téléphones portables, explique Francesco Guatieri. Cela exigeait de bonnes connaissances en design électronique et en micro-ingénierie."
Cette résolution record a pu être obtenue grâce à un élément clé inattendu: la production participative. "Nous avons constaté que l'intuition humaine est actuellement plus efficace que les méthodes automatisées", indique Francesco Guatieri. L'équipe AEgIS a demandé à ses collègues de déterminer manuellement la position des points d'annihilation des antiprotons dans chacune des plus de 2 500 images du détecteur, et cette procédure s'est avérée bien plus précise et exacte que n'importe quel algorithme. Seul bémol: il a fallu jusqu'à dix heures à chaque collègue pour passer en revue tous les événements d'annihilation.
"La résolution est telle qu'elle nous permet également de différencier entre les fragments issus d'événements d'annihilation différents", souligne Ruggero Caravita, porte-parole d'AEgIS. En mesurant la largeur des traces de différents produits d'annihilation, les chercheurs peuvent déterminer si les traces sont produites par des protons ou des pions.
"Le nouveau détecteur ouvre la voie à une nouvelle recherche sur l'annihilation des antiparticules à basse énergie et constitue une technologie révolutionnaire pour l'observation dans l'antihydrogène des minuscules écarts provoqués par la gravité", explique Ruggero Caravita.