Les neutrinos et les antineutrinos sont des particules presque sans masse produites dans de nombreuses réactions nucléaires, notamment la fission de l’uranium dans les centrales nucléaires sur Terre et les réactions de fusion au cœur du Soleil.
Mais ils sont diablement difficiles à détecter – la plupart traversent la Terre sans s’arrêter – ce qui rend difficile l’étude des réactions nucléaires qui ont lieu au cœur des étoiles ou lors d’explosions stellaires ou la surveillance des centrales nucléaires pour détecter la production illicite de matières explosives.
Un nouveau type de détecteur de neutrinos, actuellement testé dans un vaste laboratoire souterrain de l’Université de Californie à Berkeley, est conçu pour exploiter les dernières technologies afin d’améliorer la sensibilité et les capacités des détecteurs d’antineutrinos. De tels détecteurs améliorés aideraient non seulement à détecter, localiser et caractériser les matières nucléaires spéciales non déclarées utilisées contrairement aux réglementations fédérales ou internationales, mais aideraient également les scientifiques à explorer la physique fondamentale des particules et leurs interactions au plus profond du noyau de l’atome.
Appelé Eos, pour la déesse Titan de l’aube, l’appareil signale « l’aube d’une nouvelle ère de technologie de détection de neutrinos », selon Gabriel Orebi Gann, professeur agrégé de physique à l’UC Berkeley et chef de la collaboration Eos.
Le prototype de détecteur peut détecter et caractériser les activités et les matières nucléaires à distance, c’est-à-dire à des distances supérieures à environ 100 mètres. Alors que la radioactivité des matières nucléaires peut être protégée de la détection, les antineutrinos produits lors de réactions de fission ne le peuvent pas. Étant donné que des milliards sont produits dans un réacteur chaque nanoseconde, Eos devrait être capable de détecter suffisamment d’antineutrinos pour identifier la production clandestine de matériaux de qualité bombe.
« L’idée de la détection des neutrinos est que vous ne pouvez pas les usurper, vous ne pouvez pas les protéger, vous ne pouvez pas les simuler. Les neutrinos se déplacent presque à la vitesse de la lumière, ils permettent donc une détection quasi instantanée, même à distance. Ils offrent une signature unique de l’activité nucléaire », a déclaré Orebi Gann, qui est également chercheur au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).
« Si vous êtes loin ou si vous avez une signature très faible, alors vous avez besoin d’un gros détecteur. Et pour un gros détecteur, vous avez besoin de liquide. »
Eos est un cylindre de 10 mètres de haut et 5 mètres de large rempli d’eau et d’un scintillateur organique et entouré de détecteurs de lumière trois fois plus sensibles que ceux utilisés aujourd’hui dans les expériences de physique. La sensibilité améliorée et la résolution plus élevée d’Eos proviennent de la combinaison de deux des meilleures techniques actuelles de détection des neutrinos : la scintillation et l’émission Tchérenkov.
Ces améliorations pourraient changer la donne pour les futurs projets de physique des neutrinos, tels que l’expérience DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) en cours de construction dans une mine d’or abandonnée à Lead, dans le Dakota du Sud, pour détecter les neutrinos émis par un accélérateur de particules du laboratoire national Fermi. , à 500 miles de là, dans l’Illinois. UC Berkeley et Berkeley Lab sont membres de la collaboration DUNE.
« Ce que nous aimerions construire à terme, c’est un détecteur beaucoup plus grand appelé Theia », a-t-elle déclaré. « Theia est la déesse Titan de la lumière et la mère d’Eos dans le panthéon des dieux. L’emplacement idéal pour Theia est dans cette mine du Dakota du Sud, où elle voit ces neutrinos du laboratoire Fermi. »
Il reste à voir si Theia, qui utiliserait un réservoir suffisamment grand pour avaler presque la Statue de la Liberté, remplacera l’un des quatre détecteurs « lointains » à argon liquide prévus par DUNE.
Orebi Gann soutient qu’un détecteur hybride comme Theia, tout en offrant une sensibilité comparable pour l’étude du faisceau de neutrinos à haute énergie qui est la cible principale de DUNE, ajouterait de nouvelles capacités au-delà d’un détecteur à argon, notamment la capacité de détecter les antineutrinos. Theia aurait également une précision de pointage de 2 degrés pour la localisation d’une supernova via l’explosion de neutrinos et aurait la capacité de rechercher des neutrinos solaires de faible énergie et des neutrinos de Majorana.
Un détecteur de neutrinos hybride
Eos est unique en ce sens qu’il est un hybride des deux principaux types de détecteurs de neutrinos liquides, qui démarrent tous deux avec un réservoir de liquide.
Une technique est basée sur un scintillateur – dans ce cas, un alkylbenzène linéaire – qui émet de la lumière en réponse aux particules chargées produites lors des interactions avec un neutrino ou un antineutrino.
Les neutrinos et les antineutrinos peuvent également interagir avec d’autres matériaux, comme l’eau, pour produire un électron qui émet ensuite sa propre lumière, bien que beaucoup plus faible que la lumière de scintillation. Ce dernier est appelé rayonnement Tchérenkov et est émis lorsque l’électron traverse le liquide à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière dans le liquide, semblable à l’énergie acoustique d’un bang sonique produit par un avion se déplaçant plus vite que la vitesse du son.
Dans les deux techniques, des détecteurs de lumière sensibles appelés tubes photomultiplicateurs sont disposés autour du réservoir pour enregistrer l’intensité de la faible lumière. L’intensité de la scintillation renseigne sur l’énergie du neutrino ou de l’antineutrino.
Le rayonnement Tchérenkov, cependant, est émis dans un cône, il peut donc fournir des informations sur la direction d’où provient le neutrino, une information essentielle pour étudier les sources des réacteurs nucléaires ainsi que les sources de neutrinos cosmiques.
« Les tubes photomultiplicateurs sont sensibles aux niveaux de lumière à photons uniques », a déclaré Orebi Gann. « Mais un scintillateur liquide vous donne beaucoup plus de lumière : si vous avez un électron de même énergie, vous obtiendrez 50 fois plus de lumière, selon le scintillateur, qu’avec une émission Tchérenkov. Cela signifie que vous obtenez une meilleure précision pour comprendre où l’énergie a été déposée et quelle quantité d’énergie il y avait.
« Nous avons dit : OK, nous ne voulons pas choisir. Nous n’aimons pas les compromis. Nous voulons les deux. Et c’est le but ici. Nous voulons la topologie de la lumière Tchérenkov, mais la résolution de la scintillation », a-t-elle déclaré. .
Le problème est que la lumière issue de la scintillation est si brillante qu’elle submerge la lumière Tchérenkov.
Heureusement, la lumière Tchérenkov apparaît en une rafale de picosecondes, alors que la lumière de scintillation persiste pendant des nanosecondes.
« Si vous disposez de détecteurs de photons très rapides, vous pouvez utiliser le décalage horaire pour séparer ces deux signatures », a-t-elle déclaré. Eos entourera le réservoir de liquide de 242 tubes photomultiplicateurs fabriqués par la société japonaise Hamamatsu, trois fois plus rapides que les photomultiplicateurs actuels.
La région visible de la lumière Tchérenkov a un spectre de couleurs plus rouge que la lumière de scintillation, qui est principalement bleue. L’équipe en profite en entourant la première rangée de photomultiplicateurs d’un filtre « dichroïque » qui reflète la lumière rouge Cherenkov dans le photomultiplicateur mais laisse passer la lumière bleue de scintillation vers les photomultiplicateurs à l’arrière.
« En gros, vous triez vos photons par longueur d’onde et les dirigez vers différents détecteurs de photons en fonction de la longueur d’onde », a-t-elle déclaré.
Orebi Gann et son équipe ont commencé à assembler l’Eos en septembre, retardé de six semaines à cause de la destruction du premier réservoir en acier lorsque le camion qui le transportait est entré en collision avec un viaduc. Les réservoirs sont si grands que les chercheurs ont dû héberger l’expérience dans un grand laboratoire au sous-sol, autrefois occupé par un réacteur nucléaire, géré par le département de génie nucléaire de l’UC Berkeley.
Ils ont entouré le réservoir en acrylique avec les tubes photomultiplicateurs, puis ont soulevé l’ensemble dans un réservoir cylindrique en acier. Le réservoir interne en acrylique et l’espace entre les réservoirs en acrylique et en acier ont ensuite été remplis d’eau pure, submergeant les tubes photomultiplicateurs dans l’espace.
Une fois que l’équipe aura testé la capacité d’Eos à détecter la lumière Tchérenkov provenant de sources radioactives artificielles et de muons cosmiques naturels, elle ajoutera progressivement du matériau scintillateur pour tester la capacité de l’expérience à faire la distinction entre les deux types d’émissions lumineuses.
« Nous avons également conçu notre détecteur de manière à pouvoir déployer un scintillateur liquide pur », a déclaré Orebi Gann. « Ce serait le test ultime : si nous pouvons toujours voir la signature Tcherenkov même avec la composante de scintillation maximale. »
Les plans prévoient d’explorer dans quelle mesure Eos peut surveiller les petits réacteurs modulaires et les navires maritimes à propulsion nucléaire et vérifier la transparence des sites d’essais.
Orebi Gann souhaite également utiliser la conception Eos dans des études générales sur la physique des neutrinos, telles que la mesure du flux de neutrinos provenant du noyau du soleil pour vérifier les réactions nucléaires prévues qui l’alimentent ; recherches sur les sources terrestres de neutrinos ; cartographier le fond diffus des neutrinos de supernova dans la Voie lactée et au-delà ; et la recherche en cours de la double désintégration bêta sans neutrinos, qui indiquerait qu’un neutrino est sa propre antiparticule.
Toutes ces questions sont déjà explorées avec les détecteurs à scintillateur ou Cherenkov, mais Orebi Gann espère qu’un détecteur hybride accélérera les progrès.
« Le même type de physique que chacun de ces détecteurs a réalisé dans le passé, nous pourrions faire mieux », a-t-elle déclaré. « C’est l’objectif. C’est de la R&D pour la prochaine génération. »