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La collaboration DUNE teste une nouvelle technologie pour la deuxième unité de détection

Newswise – Ces derniers mois, un neutrino L’installation de recherche du CERN débordait d’activité. Des scientifiques, des ingénieurs et des techniciens du monde entier s’y sont réunis pour assembler un grand prototype du nouveau détecteur de particules à des fins d’étude neutrinol’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 les trous noirs se forment-ils après l’explosion d’une étoile ?

Chercheurs travaillant à l’international profondeurs souterraines neutrino une expérience, hébergé par le Fermi National Accelerator Laboratory du Département américain de l’énergie, espère 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 le nouvel accélérateur de particules du Laboratoire Fermi, qui produira un neutrino Le faisceau traversera 1 300 kilomètres de Terre avant d’atteindre le centre de recherche souterrain de Sanford dans le Dakota du Sud. À SURF, ces particules seront reçues par le DUNE Remote Detector, un détecteur souterrain géant situé à 1,5 kilomètre sous la surface. Le détecteur sera constitué d’énormes unités de détection contenant de l’argon, un élément dont la nature très stable le rend idéal pour l’étude des neutrinos. L’excavation de cavernes souterraines pour le détecteur à distance de DUNE est Environ 60% terminé.

Essais de nouvelles technologies

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 des composants pour les deux premières unités de détection DUNE à installer à SURF. La première unité sera un fichier Détecteur de dérive horizontale, qui repose sur une technologie éprouvée qui sera mise à l’échelle pour DUNE. La production en série des composants de cette première unité a déjà commencé. La deuxième unité, connue sous le nom de détecteur de dérive verticale, sera dotée 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 Kittel, coordinateur technique des détecteurs à dérive verticale basé au laboratoire national de Brookhaven du DOE. « Mais la technologie de dérive verticale ouvre de grandes opportunités pour la construction de détecteurs supplémentaires moins coûteux et plus faciles à installer. »

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horizontal contre vertical

Au niveau le plus élémentaire, les détecteurs de dérive horizontale et verticale fonctionnent de la même manière. quand neutrino Il réagit avec l’atome d’argon à l’intérieur de la chambre du détecteur remplie d’argon liquide, et les particules produites dans cette réaction libèrent des électrons. Un fort champ électrique entre les côtés opposés de cette chambre de détection pousse les électrons libres vers l’anode, une grande structure qui détecte l’arrivée de particules chargées. Dans un détecteur à dérive horizontale, le champ électrique est entre deux parois opposées et les électrons dérivent horizontalement ; Dans un détecteur à dérive verticale, le champ électrique passe entre la partie inférieure et la partie supérieure du détecteur, et les électrons dérivent verticalement. argon-neutrino L’interaction produit également un bref flash de lumière, qui est capté par les deux détecteurs 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 découvrons neutrino Les événements sont fondamentalement de la même manière.

Les différences sont dans les détails. L’anode d’un détecteur à dérive horizontale est constituée de grands plans de fils étroitement enroulés, appelés groupes de niveau d’anode, ou APA. Il mesure 6 mètres de long et 2,3 mètres de large. D’autre part, l’anode du détecteur de dérive verticale sera constituée de plans de lecture de charge ou CRP. Ce sont de grandes cartes de circuits imprimés perforées qui mesurent 3 m sur 3,5 m et ont des bandes de cuivre imprimées sur leurs surfaces. Comme les fils de l’APA, les brins de cuivre des CRP collecteront les électrons dérivants.

Le détecteur de dérive verticale DUNE contiendra des CRP en couches en haut et en bas. « Les CRP ont des trous de 2,5 mm de diamètre, afin que la charge électrique puisse passer à travers et passer à une autre couche pour être collectée », a déclaré Dominique Duchesneau, président du consortium CRP et physicien au Centre national de la recherche scientifique. Il a ajouté que chaque couche de CRP a des bandes de cuivre orientées différemment, ce qui « vous donne accès à plusieurs vues des électrons ».

Le principal avantage des CRP est que, parce qu’ils sont constitués de simples circuits imprimés recouverts de métal plutôt que de bobines de fil serrées, ils sont moins chers et plus faciles à fabriquer et à installer que les APA.

« Avec le détecteur de dérive verticale, nous essayons de prouver que nous pouvons construire un détecteur à moindre coût qui fonctionne aussi bien », a déclaré Kettell.

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Étant donné que la technologie des détecteurs à dérive verticale nécessite moins d’éléments que la dérive horizontale, elle fournit un volume actif plus important. Le volume actif plus important signifie qu’il y aura plus d’espace pour collecter les interactions de particules, explique Ines Gil Botella, coordinatrice de la physique à DUNE basée au Centre de recherche sur l’énergie, l’environnement et la technologie en Espagne. « Vous augmentez la visibilité neutrino réactions 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 de TECHNOLOGIE ARAPUCA Développé pour la première unité de détection à distance DUNE. Ce nouveau système couvrira les quatre parois du cryostat ainsi que la cathode des unités de détection de photons. (En revanche, dans un détecteur à dérive horizontale, les détecteurs de photons ne sont inclus que dans les plans APA, derrière les fils.) L’équipe Drift utilise un puissant laser qui délivre de l’énergie à travers une fibre optique.

De plus, l’argon dans le détecteur à dérive verticale serait 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 pièce. Ensemble, ces caractéristiques rendront ce système de détection de photons plus apte à détecter les événements physiques à faible énergie, tels que ceux causés par supernovae ou l’énergie solaire neutrino dit Jill Boutella.

effervescence de l’activité

L’équipe travaillant sur le détecteur de dérive verticale DUNE vient du monde entier. Des contributions importantes sont apportées par l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (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. Jusqu’à présent, ils ont testé avec succès de petits CRP de 32 cm sur 32 cm dans une chambre remplie d’argon liquide de 50 L équipée d’une cathode, d’électronique et d’un système de détection de photons. Ce prototype a pu 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 à l’aide d’une cathode, d’électronique et d’un système de détection de photons dans une grande boîte froide au CERN.

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L’équipe a montré que les composants du détecteur de dérive verticale pouvaient lire des signaux à 300 keV – la tension la plus élevée requise 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 par unité de volume final – et utiliser des CRP pour recevoir ces trajectoires. « La prochaine grande percée que nous aurons consistera à rassembler tous les systèmes à plus grande échelle », a déclaré Gil Butella.

L’équipe assemble actuellement les pièces dans un prototype de dérive verticale plus grand, surnommé le module de dérive verticale-0, dans une grande cuve 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 libres dans la moitié supérieure du détecteur dériveront vers le haut vers le groupe CRP 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. La France a mené le développement des CRP, les meilleurs CRP étant construits en France et les derniers CRP aux États-Unis

Les chercheurs de DUNE visent à terminer une installation modèle du détecteur de 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 le traversent.

En fin de compte, l’objectif est d’avoir les composants du détecteur de dérive verticale prêts à être installés dans une grande grotte du Dakota du Sud en 2027.

« Ce que j’aimerais vraiment voir, ce sont les premiers CRP installés dans le grand radiateur SURF, qui arrive dans plusieurs années », a déclaré Duchesneau. « En attendant, je pense que faire fonctionner l’unité 0 et prendre les données dans la configuration de dérive verticale réelle est une étape très excitante. »

Le Fermi National Accelerator Laboratory est soutenu par l’Office of Science du Département américain de l’énergie. L’Office of Science est le plus grand soutien de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s’efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque. Pour plus d’informations, veuillez visiter le site web science.energy.gov.

Cunégonde Lestrange

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