Des scientifiques travaillant au CERN ont commencé les tests d'un nouveau prototype de détecteur de neutrinos, en utilisant une technologie très prometteuse appelée « double phase ». En cas de succès, cette nouvelle technologie sera utilisée à une échelle beaucoup plus grande pour l'expérience internationale Deep Underground Neutrino, hébergé par le Fermilab du département américain de l'Énergie.

Les scientifiques ont commencé à faire fonctionner le détecteur prototype à double phase au CERN à la fin du mois d'août et ont observé les premières traces. Rempli de 800 tonnes d'argon, le détecteur a à peu près la taille d'une maison à trois étages.

La nouvelle technologie serait utilisée en plus des détecteurs dits monophasés qui ont fonctionné avec succès pendant de nombreuses années. Mais la nouvelle technologie à double phase peut changer la donne, car cela amplifierait considérablement les faibles signaux que les particules créent lorsqu'elles se déplacent à travers le détecteur.

« La technologie monophasée est une méthode éprouvée qui sera utilisée pour construire le premier module du détecteur DUNE, " a déclaré le co-porte-parole de DUNE, Ed Blucher de l'Université de Chicago. " Cette nouvelle technologie à double phase fournit une deuxième méthode qui a un grand potentiel à ajouter aux capacités du détecteur DUNE. "

Dans une expérience en une seule phase, le détecteur de particules est entièrement rempli d'argon liquide. Des plans de fil et des photocapteurs immergés dans l'argon liquide enregistrent les faibles signaux provoqués lorsqu'un neutrino s'écrase sur un atome d'argon. La collaboration DUNE a démarré avec succès l'exploitation d'un grand prototype de détecteur monophasé au CERN en septembre 2018.

Les scientifiques et les ingénieurs ont maintenant déployé à grande échelle une technologie à double phase qui utilise l'argon liquide comme matériau cible et une couche d'argon gazeux au-dessus du liquide pour amplifier les faibles signaux de particules avant qu'ils n'atteignent les capteurs situés au sommet du détecteur, à l'intérieur du gaz argon. Par rapport à la technologie monophasée, cette configuration pourrait produire des signaux plus forts, ce qui les distingue du bruit de fond. Il permettrait ainsi aux scientifiques de rechercher des interactions de neutrinos à plus basse énergie.

Autre avantage de la technologie biphasée :Toute l'électronique pour la collecte des données est située dans la couche de gaz près du haut du détecteur et est accessible via des cheminées spéciales qui s'ouvrent de l'extérieur, même si la plupart du détecteur est rempli d'argon, maintenu à une température inférieure à moins 184 degrés Celsius (moins 300 degrés Fahrenheit).

Contrairement à la technologie monophasée, le détecteur comporte un seul volume actif sans composants de détecteur au milieu de l'argon liquide et un nombre réduit d'éléments de lecture au sommet.

"Il s'agit d'un design très élégant qui nécessite des avancées dans la technologie haute tension et la pureté de l'argon, " a déclaré Nigel Lockyer, directeur du Fermilab.

Le prototype est un détecteur en forme de cube d'environ six mètres de long dans chaque direction. La collecte des électrons et la lecture des signaux sont réalisées par des systèmes innovants, chacun d'une superficie de neuf mètres carrés, suspendu individuellement à quelques millimètres au-dessus du niveau du liquide.

Le détecteur biphasé ProtoDUNE n'est qu'un petit composant du détecteur que la collaboration internationale DUNE prévoit de construire aux États-Unis au cours de la prochaine décennie :un module de détecteur DUNE abritera l'équivalent de 20 prototypes de détecteurs biphasés et fonctionnera à haute tension jusqu'à 600, 000 volts.

DUNE prévoit de construire quatre modules de détection pleine grandeur basés sur la technologie de l'argon. Ils seront situés à un mile sous terre de l'installation de recherche souterraine de Sanford dans le Dakota du Sud. Les scientifiques l'utiliseront pour découvrir si les neutrinos pourraient être la raison pour laquelle la matière domine sur l'antimatière dans notre univers.

Les résultats du test au CERN aideront à décider combien de modules utiliseront la technologie monophasée et combien utiliseront la technologie biphasée.

La collaboration DUNE comprend plus de 1, 000 scientifiques et ingénieurs de plus de 30 pays sur cinq continents :Afrique, Asie, L'Europe , Amérique du Nord et Amérique du Sud.