Le Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique

Les New Small Wheels (NSW, nouvelles petites roues) sont le projet le plus important de la phase 1 de la jouvence du détecteur ATLAS, en vue des prises de données à haute luminosité. L’IRFU a été fortement impliqué dans la conception, la construction, l’intégration, la mise en œuvre, et le fonctionnement des NSW. Les NSW combinent deux technologies complémentaires : sTGC (small-strip Thin Gap Chambers), et Micromegas (Micro-Mesh Gaseous Structure). Les Micromegas ont été initialement développées par l’IRFU en collaboration avec le CERN dans les années 1990. C’est la première fois qu’elles sont utilisées à une si grande échelle : les NSW contiennent 1200 m² de plans de Micromegas, dont un tiers a été construit par l’IRFU à Saclay. Les deux roues ont été installées en 2021, à temps pour le début des prises de données du Run 3 du LHC. Depuis le printemps 2024, sTGC et Micromegas participent au système de déclenchement des muons vers l’avant du détecteur (end-cap), améliorant la réjection du bruit de fond de plus d’un facteur 2, réduisant ainsi le taux de trigger de 25 kHz à 11 kHz. Cela permet à ATLAS de prendre des données à une luminosité et un taux d’empilement jamais atteints auparavant.

Les grands télescopes au sol ayant des miroirs supérieurs à 8 m de diamètre¹ utilisent des montures azimutales pour pointer les astres. Pendant le suivi d’une étoile, la rotation de la Terre implique une rotation du champ observé sur le détecteur d’astrophysique créant ainsi des images « filées ». Pour corriger cet effet, les instruments montés sur ces télescopes emploient un « dérotateur de champ », mécanisme dont la fonction principale est de faire tourner des ensembles de miroirs à très basse vitesse et avec une très grande précision. Pour l’instrument METIS, l’Irfu a développé l’un des tous premiers²  dérotateurs au monde fonctionnant à -210 °C. Entièrement conçu, développé et testé par l’Irfu au sein du DIS (département d'ingénierie des systèmes), le dérotateur de METIS atteint des performances au-delà des spécifications attendues. En phase de tests, sa qualification s'achevera à la fin de 2023 à l'ESO, à Garching, Allemagne.

Si l’utilisation de mécanismes de dérotation de champ est relativement commune dans les instruments d’astrophysique au sol, la majorité des communautés scientifiques choisit de placer ce mécanisme en amont de l’instrument cryogénique, de manière à le faire fonctionner à température ambiante. Ainsi, les niveaux de précision demandés (de l’ordre de quelques millièmes de degrés) sont atteints en utilisant des composants « standards » comme des platines motorisées, des codeurs optiques, des roulements à billes et des réducteurs lubrifiés.
Pour diminuer le bruit de fond instrumental, l’instrument METIS du futur ELT sera entièrement refroidi à des températures voisines de -210°C et par conséquent, le mécanisme de dérotation du champ devra aussi fonctionner sous vide à ces températures.

Après une dizaine d’années de R&D et de prototypage en collaboration avec la société TRONICO à Nantes, l’Irfu a livré, en juillet 2021 au CERN, l’ensemble des 74 nouvelles cartes de déclenchement du calorimètre électromagnétique d’ATLAS, produites par la société FEDD. Ces cartes sont destinées à la refonte du système de déclenchement, nécessaire pour gérer le flux de données croissant fourni par le LHC dès son redémarrage en février 2022. La production de ces cartes très complexes, possédant plus de 13000 composants résistants aux radiations et nécessitant des technologies électroniques et électro-optiques avancées, a demandé toute l’expertise et les compétences de l’Irfu au cours des dernières années. Elles transmettent chacune un volume de données de 200 Gbps (Gigabits par seconde).

Dans le cadre de l’augmentation de luminosité du Large Hadron Collider (LHC), la première phase  d’amélioration de l’expérience Atlas arrive à son terme, avant un redémarrage prévu début 2022. Pour répondre aux exigences de la physique dans un environnement hautement radiatif et à haut flux de particules, les deux roues internes du spectromètre à muons vont être remplacées par un nouveau dispositif : les New Small Wheels (NSW) ou nouvelles petites roues.

Après plusieurs années de R&D et de production, l’Irfu vient tout juste d’envoyer au Cern le dernier des 32 modules de détection qui seront intégrés dans les NSW. Cela correspond à l’assemblage d’environ 400 m² de détecteurs gazeux basés sur la technologie Micromegas : un record !

Voir : la vidéo des étapes d'assemblage et de tests d'un module sur la période 2017-2021

Les anciens l’avaient bien compris, les héros, tel Orion avec Sirius, ont besoin de leur fidèle compagnon. Les ingénieurs et physiciens de l’Irfu ainsi que leurs collaborateurs ne dérogent pas à la règle et viennent de terminer l’élaboration d’un Sirius moderne, élément clé du super séparateur spectromètre (S³) en cours de construction au Ganil. Les tests ayant été passés avec brio, le système a pu être déménagé au Ganil pour son installation définitive.

Dans la mythologie grecque, Sirius, le fidèle compagnon à quatre pattes d'Orion, chasseur hors pair, a été transformé en constellation et placé à ses côtés. Ce célèbre canidé a par ailleurs donné son nom à l’étoile la plus brillante du ciel nocturne. Les physiciens de l’Irfu viennent de lui rendre honneur à leur manière cette fois ci dans le monde des détecteurs.

Après une première campagne de tests et mesures particulièrement fructueuse, l'instrument spectroscopique pour l'énergie noire (DESI, Dark Energy Spectroscopic Instrument) vient de démarrer avec succès son programme d’observation de 5 ans. La collaboration internationale, sous l'égide du Berkeley Lab, a l’ambitieux projet de réaliser le plus grand relevé de galaxies et quasars pour dresser la carte en 3D de l'Univers la plus précise et élucider le mystère de "l’énergie noire".

Un grand relevé de cinq ans pour cartographier l'Univers et percer les mystères de l'"énergie noire" a débuté officiellement le 15 mai 2021 à l'Observatoire National de Kitt Peak, près de Tucson, en Arizona. Pour mener à bien sa mission, l'instrument spectroscopique pour l'énergie noire (DESI) capturera et étudiera la lumière de dizaines de millions de galaxies et d'autres objets lointains dans l'Univers. 

Le spectromètre à muons de l’expérience Atlas est une contribution importante de l’Irfu depuis l’époque de sa conception, et ses équipes sont aujourd’hui toujours en charge de son alignement. Le spectromètre joue un rôle déterminant dans la reconstruction des muons de haute énergie, dont la détection est cruciale pour la recherche de phénomènes au-delà du modèle standard. Le spectromètre est composé d’environ 1200 chambres à muons qui forment un édifice gigantesque de 44 m de long pour 24 m de diamètre. Malgré ces proportions imposantes, les positions relatives des chambres doivent être connues avec une précision de l’ordre de 50 μm pour atteindre les performances optimales du spectromètre. À cette fin, un réseau de lignes optiques permet de suivre en permanence les positions des chambres les unes par rapport aux autres, ainsi que leurs déformations. Une procédure élaborée permettant de reconstruire les 56000 paramètres déterminant l’alignement (pour la partie centrale) a été développée par une équipe de l’Irfu afin d’obtenir la précision requise pour la reconstruction de muons de haute énergie. Cette méthode, adoptée par la collaboration ATLAS, est exposée pour la première fois dans une  note Atlas.

La phase haute luminosité du LHC (HL-LHC) devrait permettre de collecter un jeu de données sans précédent dans l'histoire de la physique des particules. Afin d’enregistrer ces données le détecteur Atlas subira une cure de jouvence importante. L’Irfu, via le Paris-Cluster en synergie avec deux autres laboratoires d’Ile de France, s’engage dans la construction d’une partie du trajectographe interne. L’année 2021 commence en fanfare pour le Paris-Cluster qui vient de franchir un jalon important dans cette aventure : la première phase des processus d’assemblage et de tests développés par nos équipes a été validée par la collaboration Atlas.

L'objectif principal de l'expérience KATRIN est la mesure de la masse des trois neutrinos du modèle standard de la physique des particules. Mais l'analyse du spectre de décroissance bêta du tritium permet également de rechercher la trace d'un hypothétique quatrième neutrino, appelé neutrino stérile. La collaboration vient de soumettre pour publication la première analyse (voir article) à partir de quatre semaines de données acquises en 2019. Pas de trace de ce quatrième neutrino, mais ce n'est qu'un début car la sensibilité va rapidement s'améliorer. Le spectromètre KATRIN démontre un fort potentiel pour étudier cette possible nouvelle facette du neutrino.

Dans sa forme standard, la double désintégration bêta est un processus par lequel un noyau se désintègre en un noyau différent et émet deux électrons et deux antineutrinos (2νββ). Cette transition nucléaire est très rare, mais elle a été détectée dans plusieurs noyaux grâce à des expériences complexes. Si les neutrinos sont leurs propres antiparticules, il est possible que les antineutrinos émis lors de la double désintégration bêta s'annihilent mutuellement et disparaissent. C'est ce qu'on appelle la double désintégration bêta sans neutrinos (0νββ), un phénomène jamais observé jusqu'à présent. Si 0νββ est détecté, cela permet de vérifier que les neutrinos sont leurs propres antiparticules, et ce serait un indice de la raison pour laquelle ils ont leurs minuscules masses - et s'ils ont joué un rôle dans l'existence de notre univers dominé par la matière. 

L'expérience CUPID-Mo, installée au Laboratoire Souterrain de Modane,  après une année de données entre mars 2019 et avril 2020 vient de fixer une nouvelle limite mondiale pour la détection de la signature 0νββ.

Après plus de quatre ans de travail de recherche et développement, conception et fabrication, le MFT (Muon Forward Tracker), un nouveau détecteur qui va équiper l’expérience ALICE au LHC, voit sa construction finalisée et en cours de commissioning au Cern. Dans le but de limiter autant que possible la quantité de matière traversée par les particules, la fabrication de ce détecteur a nécessité le développement de nombreuses techniques et procédures innovantes, en particulier dans l’intégration de capteurs silicium sur des circuits hybrides flexibles appelés échelles dont l’Irfu a eu la responsabilité au sein du projet. Pour fabriquer ces 500 échelles du MFT, deux années ont été nécessaires et une très longue séquence d’opérations a fait l’objet de nombreuses études sous la responsabilité de l’équipe de l’Antenne Irfu au Cern. La production de ces échelles vient de se terminer avec succès et c’est donc le temps d’en faire un court bilan.

L'expérience Double Chooz publie ses derniers résultats dans la revue Nature Physics. Après avoir triplé le volume de détection, une grande précision sur la valeur de l’angle θ₁₃ caractérisant les oscillations de neutrinos est atteinte avec sin²(2θ₁₃) = 0,105 ± 0,014; jolie synergie des neutrinistes de l'Irfu puisque cette mesure entre dans l'extraction du paramètre δ_CP par l'expérience T2K qui faisait la couverture de Nature en avril (voir Fait Marquant du 15 avril). Prochaine étape, le démantèlement des installations à Chooz, après sept années de prise de données. Une nouvelle métrologie des volumes de détection permettra encore d’affiner la connaissance de l’oscillation.

SNOGLOBE, le nouveau détecteur de matière noire de la collaboration NEWS-G, a été officiellement déclaré apte au service et a quitté le Laboratoire Souterrain de Modane (LSM), où il avait été assemblé puis testé durant plus de 5 mois.

Au LSM, l’espace était, en ce début de novembre, encombré de caisses à destination du SNOLAB, un autre laboratoire souterrain situé dans une mine de Sudbury au Canada. A l’intérieur, se trouvaient les pièces de ce nouveau détecteur de matière noire, entièrement fabriquées par les laboratoires de l’IN2P3 et du CEA/IRFU et soigneusement emballées afin d’être transportées par bateau puis réassemblées au Snolab.

Enfoui sous 2000m de roches, ce détecteur gazeux de basse radioactivité va tester l’existence des hypothétiques WIMPs (particules de Matière Noire) de basses masses, c’est à dire d’une énergie comprise entre 0,1 et 3 GeV. 
 

La cosmologie moderne a maintenant bien établi l'existence de la matière noire. Mais la nature de celle-ci est encore une complète énigme. A l’opposé de ces échelles d’observation de l’infiniment grand, le monde de l’infiniment petit est très bien expliqué par le modèle standard de la physique des particules mais ne propose pas non plus de candidat particule pour cette matière noire. Pierre Brun, physicien des particules à l’Irfu, vient de recevoir une bourse européenne d'excellence ERC pour diriger son projet G-LEAD, GigaHertz Laboratory Experiment for Axion Dark Matter.

Elle vise à construire une expérience originale pour tester un candidat matière noire sous forme d’axions. Ces derniers ont été postulés à la fin des années 70 pour corriger une anomalie liée à un défaut sur une symétrie fondamentale appelée CP (pour la conjugaison de 2 symétries de Charge et de Parité) dans les interactions fortes. Il se trouve que l'axion a toutes les caractéristiques pour être une particule de matière noire : il est neutre, massif et interagit très faiblement avec la matière, si peu que, pour l'instant, il n'a jamais été observé. 

Exiger que l'axion, qui corrige l'anomalie de l'interaction forte, soit aussi la matière noire dans laquelle nous baignons, conduit à la prédiction d’une gamme de masse assez stricte mais pour autant une large bande par rapport aux expériences en cours sur la recherche d’axions. G-LEAD est une expérience exploratoire d’une gamme de masse allant de 10 et 1000 μeV.

Claudia Nones, physicienne des particules à l’Irfu, vient de recevoir une bourse ERC « Consolidator » pour ses recherches sur les neutrinos. Le projet BINGO vise à aller encore plus loin dans les performances des bolomètres scintillants, technique de détection d'une désintégration rare appelée double beta sans emission de neutrinos, signature de la nouvelle physique au delà du modèle standard de la physique des particules. 

La caméra NectarCAM, équipée de près d'un quart de ses modules de détection, grâce notamment  à un financement obtenu auprès des labex P2IO, OCEVU et  OSUG2020, a vu ses premiers évènements de cascades atmosphériques dans le ciel de Berlin Adlershof, la nuit du 22 au 23 mai 2019. Elle est arrivée sur le site du prototype MST (Medium Size Telescope) le 16 mai 2019 en provenance du CEA-IRFU à Saclay. 

Après les vérifications nécessaires au sol, elle a été chargée sur le télescope avec succès par les équipes de l’IN2P3, de l'Irfu au CEA et de DESY Zeuthen.  La prise de données s’est déroulée sans heurts et à permis d’obtenir la première lumière avec la détection de gerbes atmosphériques dues aux rayons cosmiques.

Une étroite coopération entre toutes les équipes du consortium NectarCAM, sans oublier l’équipe du télescope, ont permis de mener à bien ce premier objectif, essentiel pour le projet, avant le déploiement sur site fin 2020 aux Canaries ( le site de l'hémisphère Nord de CTA).

La caméra "partielle" équipée de 23% de ses pixels va revenir début juillet sur sa plateforme d'intégration située à l'Irfu pour être complétée avec ses 1 855 pixels et rejoindre le site Nord de CTA en 2020. les équipes de différents laboratoires du CEA et du CNRS se préparent pour être en mesure de fabriquer jusqu’à 4 caméras par an sur un total de 15 caméras (parmi les 40 telescopes de taille moyenne de CTA).

Dans le cadre des améliorations de l’expérience ALICE auprès de l’accélérateur LHC du CERN, un nouveau trajectographe, appelé Muon Forward Tracker (MFT), est en cours de fabrication. Ce détecteur, dont l’Irfu est l’un des contributeurs principaux, est constitué de capteurs pixélisés en silicium micro-connectés à des circuits imprimés flexibles qui sont eux-mêmes collés sur des disques concentriques. Le prototype d’un de ces disques a été testé pour la première fois sous faisceau au CERN pendant l’été 2018. Le MFT permettra de déterminer le point d’origine des muons détectés par ALICE, ouvrant ainsi le champ à un nouveau programme de physique concernant l’étude du plasma de quarks et de gluons (QGP).

Un prototype de la caméra MXT est arrivé au CNES de Toulouse le 25 octobre 2018. Il s’agit du « Structural and Thermal Model », qui sera intégré au télescope qui partira en Chine pour être monté sur le modèle de qualification du satellite SVOM.

L’objectif de ce modèle est de valider la conception thermo-mécanique de la caméra. Il permet également de vérifier la capacité de fabrication et d’assemblage des différents constituants, qui représentent plus de 1000 éléments. Le modèle réalisé comprend tous les sous-ensembles de la caméra avec un bon niveau de représentativité du modèle de vol, aussi bien sur sa conception externe (interfaces avec le télescope) que sur sa conception interne (harnais, connecteurs…). Les parties électriques (détecteur, cartes d’électronique, moteur) sont remplacées par des masselottes et des chaufferettes pour simuler leurs comportements mécaniques et thermiques. 

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.

Les premiers photons X sur le télescope MXT de SVOM ont été détectés fin aout août avec un modèle d’ingénierie. Ceci représente une étape importante dans la validation de la conception de la chaîne de détection.
Le télescope MXT, pour Microchannel X-ray Telescope, équipera le satellite SVOM, une collaboration entre la France (CNES) et la Chine (CAS, CNSA) destinée à étudier les sursauts gamma. Il détectera les rayons X mous (0,2 à 10 KeV) au début de l’émission rémanente, et permettra de fournir une meilleure position du sursaut. L’Irfu est chargé de la conception de la caméra de ce télescope, intégrant un spectro-imageur X de type pnCCD monté sur une céramique dédiée. Le modèle de vol du détecteur doit être intégré dans la caméra dans un an.
 

Un nouveau chantier s’ouvre aujourd’hui, vendredi 15 juin 2018, au LHC, le grand collisionneur de hadrons. Initié en 2011, ce projet vise à mettre en service d’ici à 2026 un LHC haute luminosité (HL-LHC) qui permettra d’augmenter le nombre de collisions protons-protons et de récolter davantage de données. La France contribue de manière importante à ce projet (à hauteur de 180M€, masse salariale incluse). Les équipes du CNRS et du CEA participent en particulier à la recherche et aux développements technologiques sur les aimants supraconducteurs ainsi qu’à la jouvence des détecteurs et de l’accélérateur. Côté français, ce sont ainsi plus de 400 scientifiques qui accompagnent le renouveau du plus grand et du plus puissant collisionneur de particules au monde.

communiqué de presse CEA-CNRS

actualité du CERN

L’expérience STEREO a présenté ses premiers résultats de physique lors des 53èmes Rencontres de Moriond¹. STEREO est un détecteur de neutrinos formé de six cellules de liquides scintillants qui mesure, depuis novembre 2016, les antineutrinos electroniques produits par le réacteur à haut flux de neutrons de Grenoble à 10 mètres du cœur du réacteur.

L’existence d’un quatrième état du neutrino, appelé neutrino stérile, pourrait expliquer le déficit du flux de neutrinos détecté à courte distance des réacteurs nucléaires par rapport à la valeur attendue. En effet cette anomalie pourrait résulter d’une oscillation à courte distance qui ferait que l'on détecte moins d'antineutrinos electroniques attendus car ils disparaitraient en neutrinos stériles.

Les premiers résultats obtenus en 2018 après 66 jours de données excluent une partie significative de l’espace des paramètres. L’expérience continuera jusqu’à fin 2019 à prendre des données. En multipliant par quatre la statistique et en réduisant au minimum les erreurs systématiques d’analyse, STEREO sera en mesure de trancher sur l’existence de cette 4ieme famille de neutrinos.

¹ 53rd Rencontres de Moriond Electroweak session https://indico.in2p3.fr/event/16579/

Faire une photo en haute définition des réactions nucléaires est maintenant possible avec le nouveau détecteur ACTAR TPC (ACtive TARget Time Projection Chamber) développé au GANIL dans le cadre d’une collaboration internationale. Le dispositif ACTAR TPC remplit deux fonctions simultanément : celle de cible et celle de détecteur. En effet, le gaz dont il est rempli constitue la cible de matière avec laquelle interagit le faisceau d’ions incident. Par ailleurs, l’ionisation de ce même gaz, par les ions projectiles et par les particules produites lors des collisions nucléaires, permet de visualiser leurs trajectoires en trois dimensions et donc de « voir » la dissociation des noyaux atomiques impliqués dans la collision. L’électronique développée et dédiée spécifiquement à ce type de détecteur, associée à un nombre de voies très important, permet de reconstituer très précisément ces trajectoires grâce à l’acquisition de quelques 8 Méga Voxels (éléments de volume) jusqu’à 100 fois par seconde. En novembre 2017, ACTAR-TPC a passé avec succès les tests sous les faisceaux du GANIL et sera donc utilisé lors de la campagne d’expériences 2018 au GANIL.

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.

Dans le domaine de l'imagerie médicale, une équipe de l'Irfu s'est lancé un défi : imager l'activité du cerveau avec une précision d'1 mm³. Son nom : CaLIPSO. Une technologie innovante à double-détection : à la fois la lumière et les électrons. Pour cela, une série de verrous technologiques doit être levée. Et l'une de ces étapes cruciales vient d'être franchie. Il s'agit de mettre en œuvre la chaîne entière d'ultra-purification du liquide de détection.

Au cœur des dernières innovations pour la détection de particules, l’Irfu a développé des télescopes à muons très performants réalisant des cartographies 2D en densité (ou « muographies ») d’une précision remarquable. Equivalent à un télescope optique qui permet de voir la matière éclairée par la lumière visible, un télescope à muons permet de sonder  l’intérieur de grandes structures denses grâce à ces particules élémentaires qui nous arrivent naturellement de l’atmosphère.  En juin 2016, une équipe de l’Irfu rejoint la mission ScanPyramids  en déployant  trois télescopes à muons autour de la pyramide de Kheops. Ils pointent alors vers l’arête Nord-Est de la pyramide, et plus précisément vers une encoche située à 150 m de distance où se cache une petite cavité d’environ 9m² déjà repérée par les égyptologues.  Le but de cette campagne de mesure est de valider les performances des télescopes en détectant cette cavité cachée 5 m sous l’arête et invisible depuis le sol.

La découverte des oscillations de neutrinos est une avancée majeure dans l'histoire des particules élémentaires. Ces particules de matière les plus abondantes dans l'univers ont une masse non nulle et les trois états connus de neutrinos se mélangent les uns aux autres pendant leur propagation. 
Un travail publié par le CEA-Irfu a déclenché un regain d’activité sur la thématique des neutrinos stériles. Cet article démontre qu’un déficit moyen de 7% de neutrinos est détectés par rapport aux prédictions théoriques. C'est l'anomalie des neutrinos de réacteur. Par analogie avec les déficits connus de neutrinos induits par les oscillations dans les secteurs solaire et atmosphérique, ce nouveau déficit à courte distance peut être interprété par l'existence d'un nouvel état de neutrino, un neutrino stérile. Si elle est prouvée, l'existence de cette particule serait une découverte majeure, avec un impact fort dans la physique des particules et la cosmologie. 
Dans les trois ans du projet, Stéréo propose la réalisation d’une mesure de précision à moins de 10 m du cœur compact du réacteur de recherche ILL (Grenoble, France). Le concept de détection est basé sur l'interaction des neutrinos dans un scintillateur liquide (LS). Le volume cible est segmenté suivant la direction du cœur en 6 cellules (1,0 x 1,0 x 0,4 m3). Elles sont remplies de LS dopé au Gd en vue de signer la capture radiative du neutron, corrélée avec l'annihilation d’un positron. Une couronne externe, remplie de LS sans Gd, récupère une partie des fuites de rayons pour améliorer l'efficacité de détection et la résolution en énergie. 

Installation à Grenoble

Printemps 2016 : Montage du détecteur interne au CNRS/LPSC de Grenoble et transport vers l'ILL:

Eté 2016 : Etapes d'assemblage des blindages plomb (Pb), polyéthylène (PE) et magnétique (mumétal) sur l'aire de montage du réacteur:

Automne 2016 : Mise en place de l'ensemble détecteur + blindage sur le site du réacteur. Les 93 tonnes (!) sont déplacées sur coussins d'air depuis l'aire de montage jusqu'à la casemate de prise de données. Avec cette technologie un homme aurait suffit pour le déplacer. Mais bon, le réacteur a insisté pour que le déplacement soit complètement sécurisé par un rail de guidage ancré au sol et des câbles d'amarrage répartis devant et derrière Stereo... alors on a fait comme ça. 

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.

Le détecteur Nucifer vient de détecter ses premiers neutrinos à Saclay auprès du réacteur Osiris. Fruit d’une collaboration de différentes directions du CEA (DSM, DEN et DAM), du CNRS et du Max Planck Institut für Kernphysik, il s’agit de l’expérience ‘neutrino’ la plus proche d’un cœur compact de réacteur nucléaire jamais réalisée.  Placé à quelques mètres d’un réacteur de recherche (Osiris) ou d’une dizaine de mètres d’un réacteur de puissance(Chooz), ce détecteur permet un suivi en temps réel de la composition du combustible, en particulier de la quantité de plutonium produite dans le cœur.

Il est considéré par  l’AIEA comme un démonstrateur pour la surveillance des futures installations nucléaires civiles.

Au-delà de l’application à la surveillance des centrales, premier objectif de ce projet, Nucifer pourrait aussi fournir un premier test de l’anomalie des antineutrinos de réacteurs . En effet, aucune expérience n’a jamais détecté de neutrinos à une si courte distance d’un cœur compact (seulement 7m !). Cette configuration est adaptée à la mise en évidence d’un nouvel hypothétique 4ème type de neutrino d’une masse proche d’un eV/c². Elle pourrait apporter des éléments nouveaux en réponse au déficit en antineutrinos observé par une vingtaine d’expériences depuis plusieurs décennies.

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.

Tout juste dix ans après la mise en orbite de la caméra ISGRI (Ibis Soft Gamma Ray Imager) à bord du satellite Integral de l’ESA - caméra constituée de 16384 pixels spectrométriques de CdTe répartis en huit modules indépendants de 32x64 pixels de 4 mm de côté - le CEA vient de finaliser une caméra spectrométrique de nouvelle génération nommée MACSI pour Modular Assembly of Caliste Spectro-imager. MACSI est une véritable version miniature d’un module ISGRI. Tout deux comportent 2048 pixels, répartis sur ~330 cm2 pour ISGRI et seulement 8 cm2 pour MACSI où les pixels sont au pas de 625µm.
Outre sa miniaturisation, MACSI est également dotée de performances exceptionnelles tant en terme de résolution spatiale qu’en terme de résolution spectrale et de seuil bas de détection. C’est une avancée majeure qui ouvre la voie à de nouveaux types de plans focaux pour l’astronomie X dur. Cette caméra est le fruit de nombreuses années de recherches en instrumentation spatiale consenties à l’Irfu et hisse l’institut parmi les leaders dans ce domaine de recherche instrumentale.
 

Des physiciens, ingénieurs et techniciens de l'Irfu mettent au point la prochaine génération de détecteurs de traces de type Micromegas. Les futures expériences de Compass au Cern et de Clas12 au Jefferson Lab,  apportent de nouvelles contraintes de fonctionnement dont certaines sont telles que les détecteurs actuels ne peuvent les supporter tout en gardant leurs performances. Des tests de détecteurs comportant de nouvelles caractéristiques ont été réalisés sous faisceau au Cern. Les deux objectifs de ces tests ont été atteints : d'une part une réduction des taux de décharges, facteur limitant pour les expériences à haut flux comme Compass et d'autre part la vérification du bon fonctionnement dans des champs magnétiques intenses, nécessité pour les détecteurs gazeux du futur spectromètre Clas12. Plus généralement le développement de la technologie Micromegas est partie intégrante de la stratégie de l'Irfu avec la création récente d'un atelier de fabrication de ces détecteurs.

En août 2010, au Cern (Genève), une équipe des physiciens du Sédi et du SPP, en collaboration avec un groupe de l'ETH-Zurich, a fait fonctionner avec succès et pour la première fois un détecteur Micromégas dans une chambre à projection temporelle à argon pur cryogénique (température de 87,2 kelvins).

Une chambre à projection temporelle (TPC) est un volume dans lequel les électrons d’ionisation produits par le passage de particules chargées sont guidés par un champ électrique uniforme et dérivent jusqu’aux détecteurs de lecture. Pour « lire » une TPC, il faut amplifier les signaux des électrons d’ionisation en bout de chambre, en provoquant des avalanches où se multiplient les électrons grâce à un fort champ électrique qui les accélère et crée donc une ionisation en cascade au voisinage de la cathode. 

Les feux de forêt constituent un danger permanent, notamment dans les pays arides. Ils sont un frein au développement économique et une menace pour l'environnement, tant par la forte libération de gaz à effet de serre que par la destruction d'écosystèmes.

Le projet FORFIRE, incluant l'utilisation de détecteurs Micromegas¹, a reçu le soutien de l'Union Européenne (Programme FP7) pour élaborer un réseau de capteurs sensibles à la lumière émise lors d'un incendie de forêt, permettant de le détecter presque instantanément (contre plusieurs minutes avec les méthodes actuelles).

AGATA (Advanced Gamma Tracking Array) est un instrument de nouvelle génération pour l'étude des noyaux par spectroscopie gamma. Ce spectromètre se composera de 180 détecteurs de germanium de très grande pureté. La collaboration AGATA rassemble environ 40 instituts européens. L'Irfu y joue un rôle clef dans la définition des programmes de physique, la construction du spectromètre et de l'électronique associée. Les services d'instrumentation de l'Irfu ont proposé pour ce projet une solution innovante pour le refroidissement des détecteurs et ont développé des modules de basse et de haute tension. Une chaîne de validation des détecteurs a été mise en place au sein de l'Irfu.  D'importants jalons de ces développements ont été validés ces derniers mois.

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.

La puce électronique TimePix, associée à une chambre Micromegas a permis de donner des images tridimensionnelles numériques de traces de particules chargées, ouvrant ainsi la voie vers la réalisation de chambre à projection temporelles numériques (Digital Time Projection Chambers) auxquelles on pense pour équiper, par exemple, les détecteurs auprès du futur collisionneur linéaire international (ILC). L’innovation a consisté à ajouter à une puce plus classique des « horloges » autorisant la mesure du temps d’arrivée  des signaux de détection.

Un prototype d’un nouveau type de détecteur  de particules chargées vient d’être mis en œuvre avec succès par une équipe Irfu-Cern-Nikhef  dans le cadre du projet européen Eudet.

Il s’agit d’un nouveau détecteur gazeux massif basé sur une géométrie sphérique qui combine simplicité, robustesse et faible coût. Le détecteur allie un large volume de dérive et une amplification proportionnelle pour détecter les particules ionisantes ; une bille métallique placée au centre de la sphère et portée à une haute tension produit dans sa périphérie une avalanche dans le gaz.

Les premiers essais d'une caméra de toute nouvelle génération baptisée "ArTeMiS-1" viennent  d'être réalisés à l'observatoire du Gornergrat, près de Zermatt en Suisse. Cette caméra opère dans un domaine intermédiaire difficilement accessible, dit "sub-millimétrique", entre l'infrarouge et les ondes millimétriques, à la longueur d'onde de 0,45 millimètres. Elle est constituée pour la première fois d'une mosaïque de bolomètres, des détecteurs mesurant l'énergie du rayonnement.par une élévation de température. Ces détecteurs doivent être isolés et refroidis à très basses températures, de seulement 300 milli-degrés au dessus du zéro absolu. Ces essais satisfaisants constituent la première étape vers des observations astronomiques régulières de la formation des étoiles et de l'évolution des galaxies. La camera est basée sur la technologie développée par le Service d'Astrophysique du CEA/DAPNIA et le LETI/LIR du CEA/Grenoble pour le satellite européen HERSCHEL qui doit être lancé fin 2007.

Une nouvelle étape pour la validation des méthodes de reconstruction des trajectoires des muons dans le spectromètre de l'expérience Atlas vient d'être franchie grâce à l'importante contribution de l'IRFU à la conception et la réalisation du système d'alignement des chambres à fils et à sa validation expérimentale dans des tests auprès d'un faisceau de muons au Cern. Ces tests en vraie grandeur ont porté sur un ensemble de chambres correspondant à un centième de ce que contiendra le détecteur final. Les premiers résultats indiquent d'ores et déjà une précision de mesure meilleure que celle qui était requise pour le projet.