Une équipe scientifique du Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) de la Michigan State University (MSU) a mis au point un nouveau détecteur optique. Ce développement permettra aux utilisateurs scientifiques d’aider à générer de nouvelles connaissances et percées en physique nucléaire. Les conclusions de l’équipe sont détaillées dans un article « Editor’s Pick » publié dans Examen des instruments scientifiques.
Le système de scintillation optique à perte d’énergie (ELOSS) représente une avancée à la fois en matière d’instrumentation et de capacités en physique nucléaire expérimentale. Le nouveau détecteur permet aux chercheurs d’étudier les isotopes à un taux de faisceau élevé et à haute performance.
« En physique expérimentale, l’innovation et les progrès ont toujours été étroitement liés à l’amélioration des technologies des accélérateurs et des collisionneurs », a déclaré Marco Cortesi, chef du groupe Systèmes de détection au FRIB et chef du projet ELOSS.
« Les machines puissantes modernes exigent le développement de détecteurs innovants capables de tirer parti des nouvelles capacités du faisceau. FRIB est une nouvelle technologie d’accélérateur avec un potentiel de découverte impressionnant. Désormais, nous avons également amélioré l’équipement de détection pour faire avancer et renforcer l’ambitieux programme scientifique à FRIB. »
L’équipe comprenait Cortesi; Alexandra Gade, professeur de physique à la FRIB et au département de physique et d’astronomie de la MSU et directrice scientifique adjointe de la FRIB ; Remco Zegers, professeur de physique à la FRIB et au département de physique et d’astronomie de la MSU ; Jorge Pereira, physicien de recherche; Daniel Bazin, enseignant-chercheur ; Steve Lidia, responsable du service d’instrumentation et de mesures des faisceaux ; Joe Asciutto, ingénieur en diagnostic ; et Sean Dziubinski, assistant diplômé FRIB.
Pendant des décennies, les chercheurs ont utilisé une chambre d’ionisation conventionnelle pour identifier les numéros atomiques des ions lourds à l’aide d’une mesure de perte d’énergie. Les chercheurs du FRIB ont cependant rompu avec la tradition. Ils ont plutôt mesuré la lumière produite le long de la piste avec leur chambre d’ionisation optique dans le plan focal du spectrographe S800 du FRIB.
Le détecteur optique multi-segments est rempli de gaz xénon à des pressions allant de 400 à 800 Torr, une plage autour de la pression de l’atmosphère. Des réseaux de tubes photomultiplicateurs, outils standard de détection de la lumière, entourent le gaz et sont placés le long de la direction du faisceau pour enregistrer la lumière de scintillation. Le nombre de photons détectés est proportionnel à l’énergie déposée par la particule du faisceau le long de sa trajectoire dans le volume effectif du détecteur. Cela permet aux scientifiques d’identifier le numéro atomique correspondant.
La méthode ELOSS offre plusieurs avantages techniques par rapport aux systèmes de lecture de charge conventionnels. L’équipe a découvert qu’ELOSS peut mesurer la perte d’énergie des ions lourds avec une résolution presque trois fois meilleure et à 10 fois le taux de comptage, ou la vitesse à laquelle les mesures peuvent être prises.
« Cela permet de gagner du temps en permettant des expériences plus rapides et en permettant aux chercheurs de collecter plus de statistiques à un rythme plus rapide », a déclaré Cortesi. « Cela ouvre également des opportunités pour de nouvelles expériences. »
Dziubinski, étudiant au doctorat en physique, a joué un rôle de premier plan dans l’effort. En plus de travailler sur l’assemblage et l’étalonnage du détecteur, Dziubinski a également créé une méthode de table pour effectuer l’étalonnage, que Cortesi a qualifié d’essentiel au succès du projet.
« J’ai construit et mené des expériences tout le temps que j’ai été à MSU », a déclaré Dziubinski. « Travailler sur le projet ELOSS m’a permis d’être constamment exposé à de nouveaux outils et concepts en physique. »
Cortesi considère l’implication d’étudiants chercheurs comme Dziubinski comme cruciale pour l’avancement à long terme du domaine. En formant une nouvelle génération pour la recherche et le développement de détecteurs, il a déclaré que les chercheurs peuvent mieux exploiter la puissance de la technologie d’accélérateur de FRIB et poursuivre une physique de pointe avec une efficacité et une vigueur accrues.
« ELOSS est une mise à niveau pour améliorer l’identification des particules, et il y en a d’autres à venir », a déclaré Cortesi. « Nous voulons profiter des opportunités offertes par FRIB. Nous pouvons le faire avec ce nouveau détecteur. »
Plus d’information:
M. Cortesi et al, Conception et construction d’un nouveau système de scintillation optique à perte d’énergie (ELOSS) pour l’identification des particules d’ions lourds, Examen des instruments scientifiques (2022). DOI : 10.1063/5.0124846