Dans sa version la plus courante, l’imagerie muonique est une technique intrinsèquement 2D : en effet les densités mesurées sont intégrées le long de la direction d’observation de l’instrument. En principe, une cartographie 3D peut tout de même être obtenue en combinant plusieurs projections, comme en imagerie médicale. Mais dans le cas de la muographie, le nombre de projections disponibles est généralement très réduit, à cause du temps d’acquisition nécessaire à chaque image. Un algorithme d’imagerie 3D vient d’être utilisé avec succès sur le télescope à muons TomoMu, dans le cadre d’une collaboration entre l’Université de Florence et l’Irfu. La structure 3D d’un objet test a été reconstruite avec seulement 3 prises de vue, grâce notamment à l’excellente résolution de l’instrument. Cette avancée très importante permet maintenant d’envisager l’étude de structures plus complexes, avec des applications variées depuis l’étude de réacteurs nucléaires en phase de démantèlement jusqu’à l’exploration des sols.
Dans le cadre du projet de jouvence du spectromètre CLAS en vue de la montée en énergie à 12 GeV du faisceau d’électrons du Jefferson Lab (USA), l’Irfu a mené une R&D pendant plus de 10 ans pour concevoir et réaliser un trajectographe de nouvelle génération, employant des détecteurs Micromegas minces et flexibles qui sont désormais en fonctionnement auprès du nouveau spectromètre CLAS12. Après un an d’installation, ce trajectographe est opérationnel et remplit les caractéristiques attendues avec plus de 95 % d’efficacité de detection et une résolution spatiale de moins de 100μm. Après une prise de données dédiée pour mesurer les réponses des détecteurs, le nouveau spectrometre CLAS12 est à ce jour en prise de données pour l'experience de physique DVCS auquelle participe aussi l'Irfu et dont l'objectif est la mesure de la structure interne du proton en 3 dimensions.
Ce projet de trajectographe, issu d’une collaboration étroite entre les départements d’ingénierie et de physique de l’Irfu (le DEDIP, le DIS et le DPhN) est une réussite exceptionnelle et a donné lieu à d’autres projets pour de nombreuses expériences de physique depuis la chasse aux particules au LHC à l'imagerie muonique des pyramides, ainsi qu’à un transfert de savoir-faire à un industriel.
La collaboration ScanPyramids a découvert un nouveau vide au cœur de la pyramide de Kheops. Ce grand vide a été détecté par des techniques d’imagerie muoniques menées par trois équipes distinctes de l'Université de Nagoya (Japon), du KEK (Japon) et du CEA/Irfu. C’est la 1ère découverte d'une structure interne majeure de Kheops depuis le Moyen-Age
De dimensions proches de celle de la grande galerie, structure architecturale située au cœur de la grande pyramide (47m de long, 8m de haut), cette nouvelle cavité, baptisée ScanPyramids Big Void, a une longueur minimale de 30 mètres. Observée pour la première fois avec des films à émulsion nucléaire installés dans la chambre de la Reine (Université de Nagoya), puis détectée avec un télescope de scintillateurs installé dans la même chambre (KEK), elle a été confirmée avec des détecteurs gazeux, Micromegas, situés eux à l’extérieur de la pyramide (CEA) ), et donc avec un angle de vue très différent permettant d’affiner la localisation de ce vide. C’est la première fois qu'un instrument détecte depuis l’extérieur une cavité située au plus profond d’une pyramide.
Ces résultats ont été publiés par l'équipe ScanPyramids le 2 novembre 2017 dans le journal Nature.
Une des grandes questions en physique des particules est l’existence ou non d’une différence de comportement entre matière et antimatière. De grandes expériences sur faisceau de neutrinos testent cette violation de symétrie en observant leurs oscillations sur de très longues distances. Pour valider la nouvelle technologie de ces futures expériences, des prototypes de plus faibles volumes sont construits.
L'expérience WA105 au CERN, à laquelle participe l’Irfu, a observé en juin 2017 les premiers signaux de rayons cosmiques dans un détecteur à argon liquide de nouvelle génération. Ce prototype est une chambre à projection temporelle à argon liquide avec phase gazeuse permettant l’observation tridimensionnelle des produits d’interaction des neutrinos. Ce premier prototype (3x1x1 m3, 25 t d’argon liquide) va permettre de valider un certain nombre de choix techniques qui seront appliqués au démonstrateur WA105 de 300 t d’argon liquide (6x6x6 m3) qui prendra des données en 2018 avec un faisceau du Cern. La validation de cette nouvelle technologie est cruciale pour les futurs détecteurs (60x12x12 m3, 10 kt) de la prochaine expérience d'oscillation de neutrinos DUNE aux États-Unis dont le démarrage est prévu en 2026 et qui a démarré en juillet 2017 la construction de son laboratoire souterrain.
Un nouveau détecteur Micromegas vient d’être développé à l’Irfu : pour la première fois, la micro?grille et l’anode sont segmentées en pistes, dans des directions perpendiculaires. Ce détecteur offre ainsi une vraie structure 2D pour la reconstruction des trajectoires des particules chargées. De plus, ayant une masse très faible, il est parfaitement adapté à des mesures en faisceau de neutrons moyennant l’utilisation d’un convertisseur. Le détecteur a été testé avec succès et est dorénavant utilisé comme profileur transparent du faisceau de neutrons de l’expérience n_TOF au CERN.
Une équipe commune du service de physique nucléaire (SPhN) et du service d'Electronique des Détecteurs et d'Informatique (Sedi) de l'Irfu a récemment conçu et testé avec succès un prototype de détecteur gazeux Micromegas doté d’une technique innovante de multiplexage permettant de réduire notablement le nombre de voies d'électronique tout en conservant une excellente résolution spatiale. Ce premier prototype Micromegas de 50x50 cm² est équipé de 1024 pistes mais seulement de 61 voies d’électronique. Ce multiplexage qui a fait l’objet d’un dépôt de brevet permet de diminuer le coût des détecteurs et ouvre la voie à de nombreuses applications en dosimétrie, imagerie médicale et en physique des particules.
L’Irfu poursuit ses efforts dans le développement de détecteurs gazeux utilisant la technologie Micromégas. Ce type de détecteur pourrait équiper le futur collisionneur linéaire : ILC (International Linear Collider) à l'horizon 2030. L’ILC, proposé pour succéder au Large Hadron Collider (LHC), serait conçu pour produire des collisions électron-positron de 500 GeV. Pendant que les tractations pour la possible réalisation d’un tel accélérateur s’intensifient au niveau mondial, un pas important a été franchi à DESY (Allemagne) avec la mise en place réussie d’un prototype de détecteur de traces à haute résolution spatiale avec une électronique compacte.
Une équipe commune du service de physique nucléaire et du service des détecteurs, d’électronique et d’informatique de l’IRFU (SPhN et Sédi) a récemment montré que la nouvelle génération de détecteurs Micromegas pouvait être utilisée dans l’air atmosphérique. Grâce à la technologie des pistes résistives mise au point par le CERN, ce détecteur atteint en effet des gains d’amplification de 2 à 5 fois supérieurs à un Micromegas standard. Un premier spectre d’une source radioactive (Fe55) a été obtenu, et une détection de rayonnements cosmiques a été mise en évidence. L’utilisation de ce détecteur sans aucun système de gaz, souvent contraignant, pourrait ouvrir de nouvelles possibilités d’applications, par exemple dans l’imagerie ou la dosimétrie.
Les travaux de cette étude ont fait l’objet d’un article accepté en juin à publication dans Nuclear Instruments and Methods in Physics.
Contexte
Les détecteurs gazeux ont joué un rôle majeur dans l’histoire de la détection de particules, depuis l’invention de la chambre à brouillard par Wilson il y a un siècle. De nos jours, des chambres proportionnelles multi-fils, des chambres à dérive, ainsi que des détecteurs à micro-pistes équipent la plupart des grandes expériences de physique à travers le monde. L’une des dernières générations de ces détecteurs est le Micromegas, dans lequel l’amplification du signal est réalisée entre le plan d’anode (pistes) et une micro-grille. Ce détecteur présente l’avantage d’être très résistant à des flux de particules élevés, et moins cher que des détecteurs solides type Silicium pour des surfaces beaucoup plus grandes. Ses performances l’ont également rendu attractif pour de nombreuses applications en dehors de la physique fondamentale, comme l’imagerie médicale ou récemment la détection d’incendies de forêts.
Dans tous les cas, ces détecteurs doivent être remplis avec un gaz approprié, ce qui implique généralement l’installation et la maintenance d’un système de gaz et éventuellement la mise en place de règles de sécurité (afin de parer aux risques d’inflammabilité ou d’anoxie). En pratique, l’air « simple » n’est jamais utilisé car il ne permet pas une amplification suffisante des charges, en raison de la forte probabilité de recombinaison des électrons avec les atomes d’oxygène de l’air. Une plus grande amplification nécessiterait des tensions électriques plus élevées. Or ce régime est instable et se traduit par l’apparition de claquages entre les bornes du détecteur.
Les détecteurs gazeux fondés sur le concept Micromegas, conçus à l’Irfu, prennent position depuis quelques années dans la détection de particules et de rayonnement pour la recherche en physique, et présentent un fort potentiel pour l’instrumentation nucléaire, biomédicale et industrielle. Les efforts récents de R&D ont abouti à de nouveaux procédés de fabrication qui améliorant la performance et le champ d’application de ces détecteurs. Cette seconde génération de Micromegas est déjà mis en place dans plusieurs expériences de physique internationales qui ont recueilli d’excellents résultats depuis l’automne 2008.
