La technologie des détecteurs fournit des images 3D sans précédent et annonce une application bien plus étendue pour l’étude des neutrinos


La technologie des détecteurs fournit des images 3D sans précédent et annonce une application bien plus étendue pour l'étude des neutrinos

Un capteur LArPix de 4900 pixels est testé dans le laboratoire de Berkeley avant d’être livré à l’Université de Berne pour installation. Crédit photo: Thor Swift, Berkeley Lab

Une expérience pour capturer images 3D de trajectoires de particules chargées a été démontrée à l’aide de rayons cosmiques qui frappent et traversent un cryostat rempli d’une tonne d’argon liquide. Les résultats confirment les capacités d’une nouvelle technologie de pour la physique des particules qui a été développée par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en collaboration avec plusieurs partenaires universitaires et industriels.

L’expérience de l’Université de Berne en Suisse, réalisée à distance en raison de la pandémie COVID-19, est révolutionnaire pour cette nouvelle technologie et montre la disponibilité d’un projet beaucoup plus vaste et plus ambitieux: la Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) a déclaré Berkeley Scientifique de laboratoire et chef d’équipe Dan Dwyer.

En quelques années à peine, l’équipe de Berkeley Lab a transformé un concept ambitieux appelé LArPix (pixels à argon liquide) en réalité, a déclaré Dwyer. « Nous avons surmonté les défis du bruit, de la consommation d’énergie, de la compatibilité cryogénique et, plus récemment, de l’évolutivité / fiabilité en transférant de nombreux aspects de cette technologie à la fabrication industrielle. »

DUNE est une nouvelle installation scientifique majeure en cours de construction par le Département américain de l’énergie (DOE) pour étudier les propriétés des neutrinos subatomiques tirés sous terre à partir d’un accélérateur du Laboratoire national d’accélérateur Fermi du DOE (Fermiab) près de Chicago, a expliqué Dwyer. Les neutrinos sont des particules extrêmement légères qui interagissent faiblement avec la matière – ce que les chercheurs aimeraient mieux comprendre s’ils veulent répondre à des questions fondamentales sur l’univers.

Les neutrinos produits par l’accélérateur Fermilab passeront devant un détecteur de proximité instrumenté avec LArPix sur le site du Fermilab avant de poursuivre leur voyage de 700 milles dans une mine souterraine profonde du Dakota du Sud.

LArPix est une avancée dans la détection et l’enregistrement de signaux dans des chambres à projection temporelle d’argon liquide (LArTPC), une technologie de choix pour les futures expériences sur les neutrinos et la matière noire, a déclaré Dwyer.

Dans un LArTPC, des particules subatomiques énergétiques pénètrent dans la chambre et libèrent ou ionisent des électrons dans l’argon liquide. Un fort champ électrique appliqué de l’extérieur fait dériver les électrons vers un côté anode de la chambre du détecteur, où généralement un plan de fil agit comme des antennes sensibles pour lire ces signaux et créer des images 2D stéréoscopiques de l’événement. Cependant, cette technologie n’est pas suffisante pour gérer l’intensité et la complexité des événements de neutrinos à lire pour le DUNE Near Detector, a déclaré Dwyer.

«C’est là que nous intervenons chez Berkeley Lab avec ce véritable affichage à pixels 3D de LArPix», a déclaré Dwyer. « Cela nous permettra d’imaginer les neutrinos DUNE avec une haute fidélité dans un environnement très chargé. »

Avec LArPix, a-t-il expliqué, les plans des fils seront remplacés par des tableaux de pixels métalliques réalisés sur des cartes de circuits électroniques standard qui sont faciles à fabriquer. L’électronique à économie d’énergie est compatible avec les exigences de l’état cryogénique du milieu argon liquide.







Interactions avec les rayons cosmiques dans le module prototype, qui sont cartographiées en 3D avec un système LArPix d’environ 80 000 pixels. Crédit photo: Dan Dwyer, Berkeley Lab

Cette dernière réalisation n’aurait pas été possible sans le partenariat étroit avec la Collaboration ArgonCube, une équipe de scientifiques axée sur l’avancement de la technologie LArTPC et basée à l’Université de Berne. Pour les expériences de Berne, les chercheurs ont utilisé une chambre de détection avec 80000 pixels immergés dans une tonne d’argon liquide à -330 degrés Fahrenheit. Le système, a-t-il dit, fournissait une véritable imagerie 3D des douches de rayons cosmiques avec une haute fidélité lors de leur déplacement à travers le détecteur.

« Il s’agit d’une étape importante dans le développement des LArTPC et du DUNE Near Detector », a déclaré Michele Weber, directeur du laboratoire de physique des hautes énergies à l’Université de Berne, qui dirige également le DUNE International Consortium, qui est responsable de la construction. de ce détecteur.

«C’est beaucoup plus compliqué que tout ce qui a été construit pour les LArTPC», a déclaré Brooke Russell, stagiaire postdoctorale au Berkeley Lab et membre de l’équipe LArPix. Avec 80 000 chaînes, a-t-elle déclaré, le LArPix diffusé à Berne a dépassé de loin le LArTPC précédent avec 15 000 chaînes à la pointe de la technologie. «La complexité des fils aux pixels a augmenté de façon exponentielle», a-t-elle déclaré.

Des partenaires de l’UC Berkeley, de Caltech, de l’Université d’État du Colorado, de Rutgers, de l’UC Davis, de l’UC Irvine, de l’UC Santa Barbara, de l’UPenn et de l’Université du Texas à Arlington ont aidé les chercheurs à développer et à tester ce système beaucoup plus vaste.

Pour DUNE, a déclaré Dwyer, le système doit être mis à l’échelle à plus de 10 millions de pixels, contenus dans environ 300 tonnes d’argon liquide. Il a déclaré que cela était faisable à la fois en raison de la nature modulaire des chambres de détection et de la possibilité de carreler des cartes LArPix à partir de milliers de détecteurs de pixels individuels.

«Avec cette technologie, le DUNE Near Detector peut surmonter la congestion du signal qui résulte de la forte intensité du faisceau de neutrinos sur le site», a déclaré Dwyer. « Il pourrait également trouver une utilisation dans les détecteurs à distance DUNE, d’autres expériences physiques et des applications non physiques », a-t-il déclaré.

Aux détecteurs éloignés DUNE, les scientifiques mesureront comment le goût quantique des neutrinos change pendant le transit du détecteur proche.

En étudiant les neutrinos, « nous pensons que nous pouvons en apprendre davantage sur les secrets les plus profonds de l’univers – en particulier des questions sur les raisons pour lesquelles il y a plus de matière que d’antimatière dans l’univers », a déclaré Dwyer.

Pour que DUNE réussisse, les physiciens des particules avaient besoin «d’un niveau de réflexion hors des sentiers battus en ce qui concerne la technologie des détecteurs», a déclaré Russell. « Bien sûr, les percées en physique expérimentale des particules nécessitent de nouvelles idées », a-t-elle ajouté. « Mais si votre matériel ne peut pas livrer, vous ne pouvez tout simplement pas prendre la mesure. »


Le détecteur de particules du Laboratoire Fermi joue un rôle crucial dans l’expérience des neutrinos souterrains profonds


Fourni par le Lawrence Berkeley National Laboratory

Citation: La technologie des détecteurs fournit des images 3D sans précédent et une application beaucoup plus large pour l’investigation des neutrinos (2021, 14 mai), qui sera publiée le 15 mai 2021 sur https://phys.org/news/2021-05- détecteur-technologie-donne-sans précédent-3d. html

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