Ces derniers mois, l’installation de recherche sur les neutrinos du laboratoire européen CERN a été en pleine activité. Des scientifiques, des ingénieurs et des techniciens du monde entier s’y sont réunis pour assembler un grand prototype d’un nouveau détecteur de particules destiné à étudier le neutrino, l’un des types de particules les plus mystérieux de l’univers.
Les neutrinos sont partout, mais ils interagissent rarement avec la matière. Chaque seconde, des milliards de ces particules traversent notre corps et repartent sans laisser de trace. En étudiant ces particules fantomatiques, les physiciens espèrent répondre à des questions telles que : Pourquoi l’univers est-il fait de matière ? Quelle est la relation entre les quatre forces de la nature ? Comment se forment les trous noirs à la suite de l’explosion d’une étoile ?
Les chercheurs travaillant à l’international Expérience souterraine profonde sur les neutrinos, hébergé par le Fermi National Accelerator Laboratory du Département américain de l’énergie, espèrent résoudre ces mystères. Leurs travaux sur le prototype de détecteur au CERN les rapprochent un peu plus de cet objectif.
L’infrastructure nécessaire pour DUNE est vaste. Il comprend un nouvel accélérateur de particules au Fermilab, qui produira un faisceau de neutrinos qui traversera 1 300 kilomètres de terre avant d’atteindre l’installation de recherche souterraine de Sanford dans le Dakota du Sud. Au SURF, ces particules seront accueillies par le détecteur lointain DUNE, un gigantesque détecteur souterrain logé à 1,5 kilomètre sous la surface. Le détecteur comprendra d’énormes modules détecteurs contenant de l’argon, un élément dont la nature très stable le rend parfait pour l’étude des neutrinos. L’excavation des cavernes souterraines pour le détecteur lointain DUNE est environ 60% complet.
Tester une nouvelle technologie
Les membres de la collaboration DUNE, qui comprend des scientifiques et des ingénieurs de plus de 35 pays, sont occupés à concevoir, tester et construire les composants des deux premiers modules de détection DUNE à installer à SURF. Le premier module sera un détecteur de dérive horizontale, qui repose sur une technique éprouvée qui sera mise à l’échelle pour DUNE. La production en série des composants de ce premier module a déjà commencé. Le deuxième module, connu sous le nom de détecteur de dérive verticale, sera doté d’une nouvelle technologie. Les tests sont en cours depuis deux ans.
« Je m’attends à une physique passionnante des détecteurs à dérive horizontale et verticale », a déclaré Steve Kettell, coordinateur technique du détecteur à dérive verticale, basé au laboratoire national de Brookhaven du DOE. « Mais la technologie de dérive verticale ouvre des opportunités importantes pour la construction de détecteurs supplémentaires moins coûteux et plus faciles à installer. »
Horizontal vs vertical
À la base, les détecteurs de dérive horizontale et verticale fonctionnent de la même manière. Lorsqu’un neutrino interagit avec un atome d’argon à l’intérieur de la chambre remplie d’argon liquide du détecteur, les particules produites lors de cette interaction libèrent des électrons. Un fort champ électrique entre les côtés opposés de la chambre du détecteur pousse ces électrons libres vers une anode, une grande structure qui détecte l’arrivée de particules chargées. Dans un détecteur à dérive horizontale, le champ électrique existe entre deux parois opposées et les électrons dérivent horizontalement ; dans un détecteur à dérive verticale, le champ électrique s’étend entre le bas et le haut du détecteur et les électrons dérivent verticalement. L’interaction argon-neutrino produit également un bref éclair de lumière que les deux détecteurs captent avec un système de détection de photons séparé.
« Fondamentalement, il n’y a rien de différent entre la dérive verticale et la dérive horizontale », a expliqué Kettell. « Nous détectons les événements de neutrinos essentiellement de la même manière. »
Les différences sont dans les détails. L’anode du détecteur de dérive horizontale se compose de grands plans de fils étroitement enroulés, connus sous le nom d’ensembles de plans d’anode, ou APA. Ils mesurent 6 mètres de haut et 2,3 mètres de large. L’anode du détecteur à dérive verticale, quant à elle, sera composée de plans de lecture de charge, ou CRP. Ce sont de grands circuits imprimés perforés de 3 mètres sur 3,5 mètres et des bandes de cuivre imprimées sur leurs surfaces. Comme les fils dans les APA, les bandes de cuivre dans les CRP recueilleront les électrons dérivants.
Le détecteur de dérive verticale DUNE comportera des CRP multicouches en haut et en bas. « Les CRP ont des trous perforés de 2,5 millimètres, afin que la charge électrique puisse passer à travers et aller vers une autre couche pour être collectée », a déclaré Dominique Duchesneau, chef du consortium CRP et physicien au Centre national français de la recherche scientifique. Chaque couche de CRP a des bandes de cuivre orientées différemment, a-t-il ajouté, ce qui « vous donne la possibilité d’avoir plusieurs vues des électrons ».
Un avantage clé des CRP est que, parce qu’ils sont constitués de simples cartes de circuits imprimés plaquées de métal plutôt que d’une bobine serrée de fils, ils sont moins chers et plus faciles à fabriquer et à installer que les APA.
« Avec le détecteur de dérive verticale, nous essayons de démontrer que nous pouvons construire un détecteur moins cher qui fonctionne aussi bien », a déclaré Kettell.
Parce que la technologie du détecteur à dérive verticale nécessite moins d’éléments que la dérive horizontale, elle fournit un volume actif plus important. Un volume actif plus important signifie qu’il y aura plus d’espace dans lequel les interactions de particules pourront être collectées, a déclaré Inés Gil-Botella, coordinatrice de la physique DUNE basée au Centre de recherche énergétique, environnementale et technologique en Espagne. « Vous maximisez la possibilité de voir des interactions de neutrinos dans cet argon liquide. »
Une autre innovation est le système de détection de photons que les scientifiques de DUNE prévoient de construire pour le détecteur de dérive verticale, une mise à niveau du Technologie ARAPUCA développé pour le premier module de détection lointaine DUNE. Ce nouveau système couvrira les quatre parois du cryostat ainsi que la cathode avec des modules de détection de photons. (En revanche, dans le détecteur à dérive horizontale, seuls les détecteurs de photons sont intégrés dans les plans APA, derrière les fils.) Pour alimenter et lire les photocapteurs sur la cathode haute tension, qui est réglée sur 300 kilovolts, la verticale L’équipe de dérive utilise un laser puissant qui fournit de l’énergie via des fibres optiques.
De plus, l’argon à l’intérieur du détecteur à dérive verticale sera dopé au xénon pour augmenter le nombre de photons détectés lorsque les particules interagissent avec les atomes dans le liquide et pour améliorer l’uniformité de la détection de la lumière dans toute la chambre. Ensemble, ces caractéristiques rendront ce système de détection de photons plus capable de détecter des événements physiques à basse énergie, tels que ceux déclenchés par des événements de supernovae ou de neutrinos solaires, a déclaré Gil-Botella.
Une effervescence d’activité
L’équipe travaillant sur le détecteur de dérive verticale DUNE vient du monde entier. Des contributions majeures sont apportées par le CERN, la France, l’Italie, l’Espagne et les États-Unis. Mais les membres viennent également de plusieurs autres pays d’Europe, d’Asie et d’Amérique latine. « Il y a eu d’énormes progrès sur de nombreux fronts », a déclaré Kettell.
Ce groupe a été occupé. À ce jour, ils ont testé avec succès des CRP à petite échelle de 32 centimètres sur 32 centimètres dans une chambre remplie d’argon liquide de 50 litres équipée d’une cathode, d’électronique et d’un système de détection de photons. Ce premier prototype était capable de collecter des données à partir de pistes de rayons cosmiques avec « de bonnes performances signal sur bruit », a déclaré Kettell. Ils ont également testé des CRP grandeur nature de 3 mètres sur 3,5 mètres avec la cathode, l’électronique et le système de détection de photons dans une grande boîte froide au CERN.
L’équipe a démontré que les composants du détecteur de dérive verticale pouvaient lire des signaux à 300 kilovolts, la haute tension qui sera nécessaire pour créer le champ électrique dans le détecteur DUNE pleine grandeur. Ils ont également montré que les électrons peuvent dériver de six mètres – la distance maximale que les électrons parcourront dans le module de taille finale – et utiliser les CRP pour recevoir ces pistes. « La prochaine grande étape à laquelle nous devrons faire face est l’installation de tous les systèmes ensemble à plus grande échelle », a déclaré Gil-Botella.
L’équipe assemble actuellement des pièces dans un prototype de dérive verticale plus grand, surnommé « module de dérive verticale-0 », dans un grand vaisseau cryogénique au CERN, de la taille d’une petite maison. Ce prototype contiendra deux CRP grandeur nature en haut et en bas du détecteur, avec la cathode installée au milieu, ainsi qu’un système avancé de détection de photons. Les électrons libérés dans la moitié supérieure du détecteur dériveront vers le haut vers le CRP défini en haut, et les électrons produits dans la moitié inférieure dériveront vers le bas, jusqu’à ce qu’ils atteignent les couches CRP en bas. Le développement des CRP a été mené par la France, avec la construction des CRP supérieurs en France et des CRP inférieurs aux États-Unis
Les chercheurs de DUNE visent à achever l’installation du prototype de détecteur à dérive verticale au printemps 2023. Une fois terminé, l’équipe remplira le détecteur d’argon liquide et l’allumera, afin que les scientifiques puissent observer les traces laissées par les faisceaux de particules et les rayons cosmiques qui passer par là.
En fin de compte, l’objectif est d’avoir les composants du détecteur de dérive verticale prêts à être installés dans l’une des grandes cavernes du Dakota du Sud en 2027.
« Ce que j’aimerais vraiment voir, c’est l’installation des premiers CRP dans le grand cryostat de SURF, qui viendra dans quelques années », a déclaré Duchesneau. « En attendant, je pense que le fonctionnement du module-0 et la prise de données dans la configuration réelle de la dérive verticale est une étape très excitante. »