Nous sommes en 2019. Nous voulons que nos téléphones portables soient rapides, nos ordinateurs plus rapides et des écrans si nets qu'ils rivalisent avec une matinée à la montagne. Nous sommes une société numérique, et les photos floues des appareils photo à pommes de terre ne suffiront pas pour les masses. Physiciens, il s'avère, ne sont pas différents - et ils veulent le même claquement net de leurs détecteurs de neutrinos.

Cue ArgonCube :un prototype de détecteur en cours de développement qui porte une technologie encore en plein essor vers de nouveaux sommets avec un plan pour capturer des pistes de particules dignes de ce téléviseur 4K. Le secret en son cœur ? Tout est question de pixels.

Mais prenons deux pas en arrière. L'argon est un élément qui représente environ 1% de l'air doux que vous respirez. Au cours des dernières décennies, la forme liquide de l'argon est devenue le milieu de choix pour les détecteurs de neutrinos. Les neutrinos sont ces particules fondamentales embêtantes qui interagissent rarement avec quoi que ce soit, mais pourraient être la clé pour comprendre pourquoi il y a tant de matière dans l'univers.

De gros détecteurs pleins de froid, L'argon dense fournit de nombreux noyaux atomiques auxquels les neutrinos peuvent se heurter et avec lesquels ils peuvent interagir, en particulier lorsque les opérateurs d'accélérateurs envoient des faisceaux contenant des milliards de petites choses. Lorsque les neutrinos interagissent, ils créent des pluies d'autres particules et lumières que l'électronique du détecteur capture et transforme en images.

Chaque image est un instantané qui capture une interaction par l'un des plus mystérieux, volage, particules insaisissables là-bas; une particule qui a causé Wolfgang Pauli, en le proposant en 1930, à déplorer qu'il pensait que les expérimentateurs ne seraient jamais capables de le détecter.

Détecteurs de neutrinos à argon liquide à la pointe de la technologie – de grands acteurs comme MicroBooNE, ICARUS et ProtoDUNE :utilisent des fils pour capturer les électrons libérés par les interactions de neutrinos. De vastes plans de milliers de fils sillonnent les détecteurs, chaque ensemble collecte des coordonnées qui sont combinées par des algorithmes en reconstructions 3D de l'interaction d'un neutrino.

Ces configurations sont efficaces, bien compris et un excellent choix pour les grands projets - et vous n'obtenez pas beaucoup plus grand que l'expérience internationale Deep Underground Neutrino hébergée par Fermilab.

DUNE examinera comment les trois types connus de neutrinos changent lorsqu'ils parcourent de longues distances, explorer davantage un phénomène appelé oscillations de neutrinos. Les scientifiques enverront des milliards de neutrinos du Fermilab chaque seconde sur un 1, Voyage de 300 kilomètres à travers la terre - aucun tunnel n'est nécessaire - jusqu'au Dakota du Sud. DUNE utilisera des chambres à fil dans certains des quatre énormes modules de détecteurs lointains, chacun détenant plus de 17, 000 tonnes d'argon liquide.

Mais les scientifiques doivent également mesurer le faisceau de neutrinos à sa sortie du Fermilab, où le détecteur proche DUNE sera proche de la source de neutrinos et verra plus d'interactions.

"Nous nous attendons à ce que le faisceau soit si intense que vous aurez une douzaine d'interactions de neutrinos par impulsion de faisceau, et ceux-ci se chevaucheront tous dans votre détecteur, " a déclaré Dan Dwyer, un scientifique du Lawrence Berkeley National Laboratory qui travaille sur ArgonCube. Essayer de démêler un grand nombre d'événements à l'aide de l'imagerie filaire 2D est un défi. "Le détecteur proche sera une nouvelle gamme de complexité."

Et une nouvelle complexité, dans ce cas, signifie développer un nouveau type de détecteur à argon liquide.

Pixel moi ça

Les gens avaient déjà pensé à faire un détecteur pixelisé, mais il n'a jamais décollé.

"C'était un rêve, " a déclaré Antonio Ereditato, père de la collaboration ArgonCube et scientifique à l'Université de Berne en Suisse. « Nous avons développé cette idée originale à Berne, et il était clair qu'il ne pouvait voler qu'avec l'électronique appropriée. Sans ça, cela n'aurait été qu'un vœu pieux. Nos collègues de Berkeley avaient exactement ce qu'il fallait."

Les pixels sont petits, et les détecteurs de neutrinos ne le sont pas. Vous pouvez en mettre environ 100, 000 pixels par mètre carré. Chacun est un canal unique qui, une fois équipé de l'électronique, peut fournir des informations sur ce qui se passe dans le détecteur. Pour être assez sensible, les minuscules composants électroniques doivent être placés juste à côté des pixels à l'intérieur de l'argon liquide. Mais cela pose un défi.

"S'ils utilisaient même la puissance de votre électronique standard, votre détecteur bouillirait juste, " Dwyer a dit. Et un détecteur d'argon liquide ne fonctionne que lorsque l'argon reste ... eh bien, liquide.

Dwyer et l'ingénieur ASIC Carl Grace du Berkeley Lab ont donc proposé une nouvelle approche :et s'ils laissaient chaque pixel en sommeil ?

"Quand le signal arrive au pixel, il se réveille et dit, "Hey, il y a un signal ici, "" expliqua Dwyer. « Ensuite, il enregistre le signal, l'envoie et se rendort. Nous avons pu réduire considérablement la quantité d'énergie."

A moins de 100 microwatts par pixel, cette solution semblait être une conception prometteuse qui ne transformerait pas le détecteur en une tour à gaz. Ils ont assemblé un circuit prototype personnalisé et ont commencé les tests. La nouvelle conception électronique a fonctionné.

Le premier test n'était que de 128 pixels, mais les choses ont évolué rapidement. L'équipe a commencé à travailler sur le défi des pixels en décembre 2016. En janvier 2018, ils avaient voyagé avec leurs puces en Suisse, les ont installés dans le détecteur de test à argon liquide construit par les scientifiques de Berne et ont collecté leurs premières images 3D de rayons cosmiques.

"C'était un choc et de la joie, " dit Dwyer.

Pour la prochaine installation au Fermilab, les collaborateurs auront besoin d'encore plus d'électronique. La prochaine étape consiste à travailler avec les fabricants de l'industrie pour fabriquer commercialement les puces et les cartes de lecture qui supporteront environ un demi-million de pixels. Et Dwyer a reçu un Department of Energy Early Career Award pour poursuivre ses recherches sur l'électronique des pixels, en complément de la bourse du FNS suisse pour le groupe de Berne.

« Nous essayons de le faire selon un calendrier très agressif – c'est une autre course folle, " a déclaré Dwyer. " Nous avons réuni une très bonne équipe sur ArgonCube et avons fait un excellent travail pour montrer que nous pouvons faire fonctionner cette technologie pour le détecteur de proximité DUNE. Et c'est important pour la physique, à la fin de la journée."

Plus d'innovations à venir

Alors que l'électronique centrée sur les pixels d'ArgonCube se démarque, ce ne sont pas les seules innovations technologiques que les scientifiques envisagent de mettre en œuvre pour le prochain détecteur proche de DUNE. Il y a de la recherche et du développement sur un nouveau type de système de détection de lumière et une nouvelle technologie pour façonner le champ électrique qui attire le signal vers l'électronique. Et, bien sûr, il y a les modules.

La plupart des détecteurs à argon liquide utilisent un grand récipient rempli d'argon et pas trop d'autre chose. Les signaux dérivent sur de longues distances à travers le fluide jusqu'aux longs fils enfilés d'un côté du détecteur. Mais ArgonCube opte pour quelque chose de beaucoup plus modulaire, diviser le détecteur en unités plus petites encore contenues dans le cryostat environnant. Cela présente certains avantages :le signal n'a pas à voyager aussi loin, l'argon n'a pas besoin d'être aussi pur pour que le signal atteigne sa destination, et les scientifiques pourraient potentiellement récupérer et réparer des modules individuels si nécessaire.

"C'est un peu plus compliqué que la normale, détecteur filaire, " a déclaré Min Jeong Kim, qui dirige l'équipe du Fermilab travaillant sur la cryogénie et participera à l'intégration mécanique du banc d'essai prototype ArgonCube. "Nous devons déterminer comment ces modules s'interfaceront avec le système cryogénique."

Cela signifie tout comprendre, du remplissage du détecteur avec de l'argon liquide et du maintien de la bonne pression pendant le fonctionnement au filtrage correct des impuretés de l'argon et à la circulation du fluide autour (et à travers) les modules pour maintenir une répartition uniforme de la température.

Le prototype ArgonCube en cours d'assemblage à l'Université de Berne fonctionnera jusqu'à la fin de l'année avant d'être expédié au Fermilab et installé à 100 mètres sous terre, ce qui en fait le premier grand prototype de DUNE envoyé au Fermilab et testé avec des neutrinos. Après avoir réglé ses problèmes, les chercheurs peuvent finaliser la conception et construire le détecteur ArgonCube complet.

Une instrumentation et des composants supplémentaires tels qu'une chambre à gaz argon et un spectromètre à faisceau complèteront le détecteur proche.

C'est une période passionnante pour la centaine de physiciens de 23 institutions travaillant sur ArgonCube et pour plus d'un 000 physiciens des neutrinos de plus de 30 pays travaillant sur DUNE. Ce qui a commencé comme un vœu pieux est devenu une réalité, et personne ne sait jusqu'où peut aller la technologie des pixels.

Ereditato rêve même de remplacer la conception de l'un des quatre modules détecteurs de loin massifs DUNE par une version pixelisée. Mais une chose à la fois, il dit.

"En ce moment, nous nous concentrons sur la construction du meilleur détecteur de proximité possible pour DUNE, " dit Ereditato. " Ça a été un long chemin, avec de nombreuses personnes impliquées, mais la technologie de l'argon liquide est encore jeune. La technologie ArgonCube est la preuve que la technique a le potentiel d'être encore plus performante à l'avenir."