Département de Physique Nucléaire

L'Irfu développe, depuis plusieurs années, des détecteurs gazeux, à micro-pistes, appelés Micromegas, co-inventés par le CERN et le CEA. De plus en plus précis, ils servent habituellement à reconstruire les traces des particules pour de nombreuses expériences en physique des hautes énergies. Les Micromegas de l'Irfu, permettant de couvrir des grandes surfaces pour un coût raisonnable, ont déjà été utilisés dans des expériences portées par des collaborations mondiales de physique des hautes énergies ou sont déjà sélectionnés pour équiper la prochaine génération d'expériences :

- COMPASS étudiant la structure du proton au CERN ;
- MINOS qui explore les noyaux exotiques auprès de l’accélérateur du laboratoire  Riken au Japon ;
- CLAS12 au laboratoire Jefferson (1er faisceau 2017) ;
- ATLAS de la phase haute luminosité du LHC (prévue en 2018).

C’est donc à partir de ces détecteurs innovants que le CEA-Irfu a conçu des télescopes muoniques spécifiquement dédiés à la mission ScanPyramids. Le cœur des détecteurs est aujourd’hui fabriqué par l’industriel français ELVIA à qui le procédé de fabrication a été transféré. Ces détecteurs sont ensuite assemblés, testés puis intégrés aux télescopes à Saclay, au sein des laboratoires du CEA.

Le télescope

Chaque télescope est constitué de 4 détecteurs gazeux de type Micromegas de dernière génération dite « multiplexée-résistive », d’une électronique gérant le fonctionnement et la lecture des détecteurs avec en particulier l’acquisition et la transmission des évènements détectés en coïncidence dans les 4 plans. Le résultat se présente sous la forme d’une boîte compacte (1,5 mètre de long, 70 cm de large, et environ 200 kg) autonome en terme d’alimentation avec une très faible consommation électrique (25 W), et permettant une imagerie en temps réel.

La tomographie muonique, une technologie qui mesure les particules cosmiques

Les muons, qui tombent en permanence sur la Terre à une vitesse proche de celle de la lumière avec un flux d’environ 10 000 particules par m2 et par minute, proviennent des hautes couches de l’atmosphère où ils ont été créés lors de collisions entre des rayons cosmiques issus de notre environnement galactique et les noyaux des atomes de l’atmosphère. 
A l’instar des rayons X qui traversent notre corps et permettent de visualiser notre squelette, ces particules élémentaires, sorte d’électrons lourds, peuvent traverser des roches de grande épaisseur, telles les montagnes. 
Des détecteurs, placés à des endroits judicieux (par exemple à l’intérieur de la pyramide, sous une possible chambre encore non détectée), permettent, par accumulation dans le temps des muons, de discerner les zones de vide (que les muons ont traversées sans interagir) et les zones plus denses où certains d’entre eux ont pu être absorbés ou déviés. 
Tout l’art de la mesure consiste à réaliser des détecteurs extrêmement sensibles, puis à accumuler suffisamment de données (pendant plusieurs jours ou mois) pour accentuer les contrastes. Des équipes de recherche japonaises utilisent des scintillateurs plastiques pour effectuer la radiographie par muons des volcans ainsi que des réacteurs de la centrale de Fukushima. Plusieurs types de détecteurs à muon existent. Les détecteurs électroniques (utilisant des milieux ionisants à base de plastique scintillant ou de gaz comme Micromegas), contrairement aux émulsions chimiques, permettent une analyse des données en temps réel.