L'intitulé de la conférence trisannuelle de Pise, « Frontier Detectors for Frontier Physics » illustre parfaitement la problématique des systèmes de détection pour la physique corpusculaire et l'astrophysique. La recherche des constituants ultimes de la matière et de leurs interactions dans leurs subtilités les plus fines et les plus profondes, la compréhension de la matière nucléaire dans ses états extrêmes ou celle de la structuration de l'Univers nécessitent des progrès considérables dans l'instrumentation associée à cette physique expérimentale.

La recherche du boson de Higgs au LHC illustre parfaitement cette nécessité. L'identification d'une poignée d'événements d'importance fondamentale repose ici sur la capacité des systèmes de détection à reconnaître et trier plusieurs centaines de millions de particules chaque seconde pendant une dizaine d'années tout en supportant un tel flux. Pareille contrainte impose aux détecteurs des facultés de résistance aux radiations, une segmentation et une précision élevée. La fiabilité et la robustesse exigée de ces systèmes deviennent tout à fait similaires aux contraintes des expériences spatiales. Il en est de même en ce qui concerne la compacité et la puissance consommée et dissipée par les millions de voies de lectures requises.
À l’inverse, d'autres expériences, comme la recherche de matière noire ou des axions, où ne sont attendus que quelques événements très rares, peuvent demander des détecteurs extrêmement peu bruyants, sensibles et précis dans la mesure de l’énergie.
De plus en plus, il apparaît nécessaire de considérer tout système de détection comme une chaîne qui s'étend du capteur de rayonnement (le détecteur) à l'acquisition en passant par l'électronique de proximité. Tous les éléments de cette chaîne doivent être optimisés de concert et les performances seront limitées par le maillon le plus faible.

Micromegas

Dans le domaine des détecteurs gazeux, les performances de précision et de tenue à des flux élevés de particules du détecteur Micromegas ont été brillamment confirmées dans les expériences Compass et NA48/Kabes. Les problèmes de tenue aux flux de hadrons, intrinsèques aux détecteurs à gaz à haut flux, ont été maîtrisés avec succès grâce au choix judicieux des mélanges gazeux et des circuits de polarisation électrique. La robustesse de Micromegas et d’une électronique spécifiquement développée a permis aux détecteurs de supporter des flux supérieurs à 105 p/mm² sans aucune défaillance depuis plus d'une année.
D'autres propriétés remarquables de ce détecteur ont été mises à profit de façon plus inattendue dans l'expérience de recherche d'axions solaires Cast. Dans ce cas, on profite d’une l'excellente résolution pour les rayons X de basse énergie (quelques keV) et d’une très faible sensibilité aux gammas énergiques du rayonnement ambiant. Par ailleurs, la segmentation et la rapidité du détecteur apportent un grand pouvoir de rejet des particules énergiques (cosmiques ou conversions de gamma). Ces propriétés permettent d'envisager l'utilisation de Micromegas pour des expériences de détection d'événements rares en laboratoire souterrain : recherche de matière noire, oscillation de neutrinos, double décroissance bêta …

D'autres applications sont en cours d'étude et de développement pour la physique des particules (chambre à projection temporelle pour le projet d'expérience Felice sur un futur collisionneur d'électrons) et la neutronique (détecteur de flashs de neutrons Demin pour le futur laser Mégajoule ou détecteur de neutrographie pour la DRT).

Les maps

Les maps (Monolithic Active Pixel Sensors) sont des matrices de pixels semi-conducteurs gravés en technologie CMOS dans lesquelles chaque pixel comporte un élément détecteur et un circuit de traitement. Ces composants, dans leur version commerciale, sont destinés à remplacer les CCD dans certains équipements de vision (par ex. webcam). L'avantage de ces composants porte sur la technologie de fabrication standard (coût, disponibilité et pérennité) et sur les possibilités de traitement rapide des images (jusqu'à 1000 par seconde). En contrepartie les performances sont limitées en sensibilité.
Il est tentant d'utiliser ces composants pour des détecteurs à très forte segmentation et très grande précision. On les retrouvera dans la détection de vertex au point central d'un collisionneur, dans la radiographie de précision ou en cristallographie pour la détection de diffusion de rayons X à petit angle.
Pour ces applications, un des problèmes majeurs concerne l'efficacité de détection. Elle est limitée par la faible épaisseur de silicium « déplété » et sensible au rayonnement, par les pertes de collection de charge et par le facteur de remplissage de la puce (surface insensible occupée par les circuits de traitement).
Le Dapnia s'est associé à l'Ires de Strasbourg (CNRS/IN2P3) pour étudier ces problèmes, en particulier en vue d'une application sur le projet de détecteur Felice pour le collisionneur Tesla. Le Dapnia est plus spécialement chargé d'étudier une conception des circuits de transfert d'image rapide et immune aux bruits de commutation. Plusieurs circuits d'une série baptisée Mimosa ont été produits et sont en cours de validation.

Les détecteurs au CdTe

Le département a engagé une étude sur les semi-conducteurs au tellurure de cadmium (CdTe, CdZnTe) qui permet d’enrichir et de prolonger l’expérience acquise lors du développement de l’imageur Ibis du satellite Integral. Les applications visées concernent l’imagerie et la spectroscopie des rayons X ou gamma de moyenne énergie. Les avantages notables de ce type de détecteur reposent sur :
- la conversion directe de l’énergie incidente en charges électriques ;
- le bon pouvoir d’arrêt des X et gammas jusqu’à quelques centaines de keV ;
- le grand nombre de charges crées par unité d’énergie déposée ;
- le fonctionnement à température ambiante avec une excellente résolution en énergie.
En revanche, les obstacles à l’utilisation de ces cristaux sont : la faible mobilité des trous facteur de dégradation du signal –, la qualité des cristaux nécessaire pour éviter les centres de piégeage des charges et enfin, leur coût.
Pour l’imageur Ibis, une solution à ces problèmes a été le développement d’asics dédiés à la correction des fluctuations de pente du signal liées aux variations de profondeur d’interaction.
L’étude menée actuellement au Dapnia vise à s’affranchir du signal des trous en utilisant uniquement le signal des électrons grâce à la géométrie des électrodes. En contrepartie, la perte de signal ainsi créée doit être compensée par une optimisation très soignée de l’électronique associée. Le Dapnia a conçu et réalisé un microcircuit dédié, IDeF-X, qui est en cours de caractérisation et dont les performances intrinsèques sont encourageantes.

Bolomètre

Depuis plusieurs années, le Dapnia mène une activité de R&D sur les bolomètres massifs en germanium avec l’IN2P3/CSNSM d’Orsay. Ce développement concerne principalement les détecteurs de l’expérience Edelweiss, consacrée à la recherche de matière noire non baryonique (wimps) dans le laboratoire souterrain du Fréjus. Ces détecteurs refroidis à 10 mK présentent l’avantage de détecter simultanément l’impulsion thermique et l’impulsion électronique lorsqu’une particule interagit dans le cristal. Ce mode de fonctionnement permet de rejeter presque parfaitement les interactions provoquées par la radioactivité ambiante. Après un an de prise de données, l’expérience Edelweiss à largement diminué les limites d’exclusion des wimps avec seulement trois cristaux de 270 g de germanium.
Les études du département ont permis de résoudre de nombreux problèmes liés à la mise en œuvre délicate de ces bolomètres :
- manipulation et utilisation de matériaux à ultra basse radioactivité ;
- cryogénie à dilution à quelques millikelvins ;
- électronique très bas bruit à très basse fréquence ;
- connectique froide.

D’autres études plus fondamentales portent sur le piégeage et le transfert de charges dans ces matériaux à une température voisine du zéro absolu, ainsi que sur les capteurs de température associés aux bolomètres. Les capteurs utilisés jusqu’à présent sont des pavés de germanium dopés par une activation neutronique qui les rend inutilisables avant un certain délai. De nouveaux capteurs non radioactifs sont en développement. Réalisés par dépôt de couches supraconductrices, ils présentent l’avantage de détecter les phonons balistiques et d’être de ce fait beaucoup plus rapides et sélectifs.