Un thermomètre pour protoDUNE
Publié par Adrien le 01/09/2018 à 00:00
Source: Anais Schaeffer - Copyright CERN
Au début du mois, des grutiers du CERN ont inséré dans l'un des prototypes destiné à la future expérience DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) un thermomètre de 7,5 mètres de long conçu sur mesure. On aurait dit qu'ils glissaient simplement une paille argentée dans une immense brique de jus de fruit ; la conception et l'installation de cet instrument complexe sont pourtant loin d'avoir été un jeu d'enfant.


Ce thermomètre de 7,5 mètres de long mesure simultanément 48 températures différentes, ce qui permettra aux scientifiques de surveiller le système de refroidissement et de filtration (La filtration est un procédé de séparation permettant de séparer les constituants d'un mélange qui possède une phase liquide et une phase solide au travers d'un milieu poreux. La filtration est...) du détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la...) à argon liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) protoDUNE-SP (Image: Roberto Acciarri)

Le thermomètre a été construit par l'Instituto de Física Corpuscular de Valence (Espagne), puis expédié au CERN en trois parties. Il mesure 12,5 cm de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la...), et le trou par lequel il a été inséré permet une marge de manœuvre de moins de 2 cm. Le thermomètre est à présent suspendu à la paroi supérieure d'un gigantesque cryostat destiné à protoDUNE-SP, l'un des deux prototypes de détecteurs à argon liquide de l'expérience 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...). Celle-ci étudiera les neutrinos, des particules subatomiques, en mesurant la 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...) et les nuages d'électrons qu'ils produisent lorsqu'ils traversent d'énormes cuves remplies d'argon liquide.

Le thermomètre a pour fonction de mesurer la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...) de l'argon liquide contenu dans le réservoir à 48 profondeurs différentes, ce qui permettra aux scientifiques de vérifier que le système de filtration et de refroidissement du détecteur fonctionne comme prévu.

L'argon circulera en boucle à travers un système extérieur de filtration et de refroidissement qui préservera sa pureté et maintiendra sa température autour de -196 degrés Celsius, explique Anselmo Cervera, un scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) de l'Instituto de Física Corpuscular ayant participé à la conception et à la construction du thermomètre. Il faudra environ cinq jours et demi à l'argon pour faire le circuit complet à travers ce système, et, par conséquent, sa température variera constamment en fonction de la profondeur. Grâce à des simulations, nous connaissons les températures que nous devrions avoir pour chaque profondeur. Si les mesures effectuées et les prédictions concordent, cela indiquera clairement que le système de filtration et de refroidissement fonctionne bien. "

Pour Anselmo Cervera, ce point (Graphie) est d'une importance capitale (Une capitale (du latin caput, capitis, tête) est une ville où siègent les pouvoirs, ou une ville ayant une prééminence dans...), car les impuretés (telles que les molécules d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) ou d'eau) auront pour effet de " manger " les électrons émis par les neutrinos lors de leur passage, et donc de détruire leur signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont...). " Notre objectif est d'avoir moins de 10 molécules d'eau pour mille milliards d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est...) d'argon ", précise-t-il.

Le thermomètre est composé d'un squelette (Le squelette est une charpente animale rigide servant de support pour les muscles. Il est à la base de l'evolution des vertébrés. Celui ci leur a fourni un...) en fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué...) et de 48 capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la déviation d'une aiguille…....) en platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.) disposés le long de sa " colonne vertébrale ". L'instrument est entouré d'une cage de Faraday (Une cage de Faraday est une enceinte utilisée pour protéger des nuisances électriques et subsidiairement électromagnétiques extérieures ou...), structure métallique empêchant les décharges électriques entre le thermomètre et les autres parties du détecteur. 

Ce thermomètre permet de mesurer les températures relatives de l'argon liquide à l'intérieur du cryostat à 48 profondeurs différentes, avec une précision de l'ordre de 0,003 degrés Celsius, 100 fois meilleure que celle des thermomètres communs. " Une fois l'étalonnage minutieux des capteurs en platine réalisé, nous pouvons calculer tout changement de température en mesurant les variations de leur résistance électrique ", poursuit Anselmo Cervera.

Les grutiers ont dû faire preuve d'une très grande précision pour insérer le thermomètre de 7,5 mètres de long dans une ouverture minuscule, qui leur laissait une marge de manœuvre de moins de deux centimètres. (Image: Roberto Acciarri)

Le cryostat du détecteur protoDUNE-SP possède un second thermomètre, qui mesure lui aussi 7,5 mètres de long et compte 22 senseurs. Pour ce thermomètre, construit par l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment...) de Hawaii et le Fermilab, une autre technique est utilisée pour étalonner les capteurs et prendre des mesures très précises de la température à différentes profondeurs. 

Comme nous n'aurons pas accès au thermomètre, lorsqu'il sera installé à l'intérieur du cryostat, pour vérifier les mesures qu'il donnera, nous avons imaginé une façon d'étalonner ses capteurs, qui consiste à déplacer le thermomètre dans l'argon liquide, vers le haut et vers le bas, sur une longueur de 1,5 mètres, explique Jelena Maricic, qui est professeure à l'Université de Hawaii et a participé à la conception et à l'élaboration de ce deuxième thermomètre. Cela nous permettra de comparer les mesures prises par les capteurs à différentes profondeurs, et donc de vérifier que ceux-ci sont calibrés correctement. "

Le test de ces deux dispositifs situés à l'intérieur du détecteur protoDUNE-SP sera une étape importante dans la mise au point des technologies de l'expérience DUNE, laquelle se trouvera 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...) et comportera quatre détecteurs 20 fois plus grands que leurs prototypes, ces derniers étant déjà des cubes dont les arêtes mesurent 8 m.
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