Comment détectez-vous une particule qui n'a presque pas de masse, ne ressent que deux des quatre forces fondamentales, et peut-il voyager sans encombre à travers du plomb solide pendant une année-lumière entière sans jamais interagir avec la matière ? C'est le problème posé par les neutrinos, particules fantomatiques qui sont générées dans les milliards de milliards par les réactions nucléaires dans les étoiles, y compris notre soleil, et sur Terre. Les scientifiques peuvent également produire des neutrinos à étudier dans le cadre d'expériences contrôlées utilisant des accélérateurs de particules. L'un des moyens de détecter les neutrinos consiste à utiliser de grandes cuves remplies d'argon liquide et enveloppées d'un réseau complexe de circuits intégrés pouvant fonctionner à des températures plus froides que la moyenne d'une journée sur Neptune.

L'industrie n'utilise généralement pas d'électronique fonctionnant à des températures cryogéniques, les physiciens des particules ont donc dû concevoir le leur. Une collaboration de plusieurs laboratoires nationaux du ministère de l'Énergie, dont Fermilab, a développé des prototypes de l'électronique qui seront finalement utilisés dans l'expérience internationale Deep Underground Neutrino, appelé DUNE, hébergé par Fermilab. DUNE générera un faisceau intense de neutrinos au Fermilab dans l'Illinois et l'enverra à 800 miles à travers la croûte terrestre vers des détecteurs dans le Dakota du Sud. Les résultats de l'expérience peuvent aider les scientifiques à comprendre pourquoi il y a plus de matière que d'antimatière, un déséquilibre qui a conduit à la formation de notre univers.

Physique et froid

Les détecteurs de neutrinos de DUNE seront massifs :un total de quatre réservoirs, chacun aussi haut qu'un immeuble de quatre étages, contiendra un combiné 70, 000 tonnes d'argon liquide et être situé dans une caverne à un kilomètre sous la surface de la Terre.

L'argon est naturellement présent sous forme de gaz dans notre atmosphère, et le transformer en liquide implique de le refroidir à des températures extrêmement froides. Les noyaux atomiques de l'argon liquide sont si denses que certains des célèbres neutrinos insaisissables en provenance du Fermilab interagiront avec eux, laissant derrière eux des signes révélateurs de leur décès. La collision qui en résulte produit différentes particules qui se dispersent dans toutes les directions, y compris les électrons, que les physiciens utilisent pour reconstruire le chemin du neutrino autrement invisible.

Un fort champ électrique maintenu à l'intérieur du détecteur fait dériver les électrons libres vers les fils attachés à l'électronique sensible. Lorsque les électrons passent devant les fils, ils génèrent de petites impulsions de tension qui sont enregistrées par l'électronique dans la chambre à argon liquide. Des amplificateurs dans la chambre amplifient ensuite le signal en augmentant la tension, après quoi ils sont convertis en données numériques. Finalement, les signaux collectés et numérisés dans toute la chambre sont fusionnés et envoyés à des ordinateurs à l'extérieur du détecteur pour stockage et analyse.

Défis pour l'électronique réfrigérée

L'électronique des détecteurs de neutrinos fonctionne de la même manière que la technologie que nous utilisons dans notre vie quotidienne, avec une exception majeure. Les circuits intégrés de nos téléphones, des ordinateurs, appareils photo, voitures, les micro-ondes et autres appareils ont été développés pour fonctionner à ou autour de la température ambiante, jusqu'à environ moins 40 degrés Celsius. L'argon liquide dans les détecteurs de neutrinos, cependant, est refroidi à environ moins 200 degrés.

"Si vous utilisez des appareils électroniques conçus pour fonctionner à température ambiante, vous trouvez rarement qu'ils fonctionnent n'importe où aussi bien que ceux conçus pour fonctionner à des températures cryogéniques, " a déclaré le scientifique du Fermilab, David Christian.

Autrefois, ce problème a été complètement contourné en plaçant les circuits électroniques à l'extérieur des réservoirs d'argon. Mais lorsque vous mesurez un nombre limité d'électrons, même la moindre quantité de bruit électronique peut masquer le signal que vous recherchez.

Le moyen le plus simple d'atténuer le problème consiste à utiliser la même tactique que celle que vous utilisez pour empêcher les aliments de se gâter :gardez-les au frais. Si toute l'électronique est immergée dans l'argon liquide, il y a moins de vibrations thermiques des atomes et un rapport signal/bruit plus important. Placer l'électronique dans le réservoir d'argon liquide a l'avantage supplémentaire de réduire la quantité de fil que vous devez utiliser pour fournir des signaux aux amplificateurs. Si, par exemple, les amplificateurs et les convertisseurs analogique-numérique sont conservés à l'extérieur de la chambre (comme ils le sont dans certains détecteurs de neutrinos), de longs fils doivent les relier aux détecteurs à l'intérieur.

"Si vous mettez l'électronique à l'intérieur de la chambre froide, vous avez des fils beaucoup plus courts et donc moins de bruit, " dit Carl Grace, ingénieur au Lawrence Berkeley National Laboratory. "Vous amplifiez le signal et le numérisez dans la chambre à argon. Vous disposez alors d'une interface numérique avec le monde extérieur dans laquelle le bruit n'est plus un problème."

Il y a plusieurs défis de conception que ces équipes ont dû surmonter pendant le développement, dont non le moindre était de déterminer comment tester la durabilité des appareils.

"Ces puces devront fonctionner au minimum une vingtaine d'années, j'espère plus longtemps, " dit Grace. " Et à cause de la nature des chambres d'argon, l'électronique qui s'y trouve ne peut pas être changée. Ils ne peuvent en aucun cas être échangés ou réparés."

Puisque Grace et son équipe n'ont pas 20 ans pour tester leurs prototypes, ils ont approximé les effets du vieillissement en augmentant la quantité de tension alimentant les puces pour simuler l'usure normale, fonctionnement à long terme.

"Nous prenons l'électronique, les refroidir puis élever leur tension pour accélérer leur vieillissement, " Grace a dit. " En observant leur comportement sur une période de temps relativement courte, nous pouvons alors estimer combien de temps l'électronique durerait si elle fonctionnait aux tensions pour lesquelles elle a été conçue."

Résistance dans les circuits

Non seulement ces circuits doivent être construits pour durer des décennies, ils doivent également être rendus plus durables d'une autre manière.

Les circuits électroniques ont une certaine résistance au courant électrique qui les traverse. Lorsque les électrons traversent un circuit, ils interagissent avec les atomes vibrants au sein du matériau conducteur, ce qui les ralentit. Mais ces interactions sont réduites lorsque l'électronique est refroidie à des températures cryogéniques, et les électrons qui constituent le signal se déplacent plus rapidement en moyenne.

C'est une bonne chose en termes de rendement; les circuits intégrés construits pour DUNE fonctionneront plus efficacement lorsqu'ils sont placés dans l'argon liquide. Mais, car les électrons se déplacent plus rapidement à travers les circuits lorsque les températures chutent, ils peuvent commencer à endommager les circuits eux-mêmes.

"Si les électrons ont une énergie cinétique suffisamment élevée, ils peuvent en fait commencer à arracher des atomes de la structure cristalline du matériau conducteur, " dit Grace. "C'est comme des balles qui frappent un mur. Le mur commence à perdre de son intégrité avec le temps."

Les puces DUNE sont conçues pour atténuer cet effet. Les puces sont fabriquées à l'aide de grands dispositifs constitutifs pour minimiser la quantité de dommages accumulés, et ils sont utilisés à des tensions inférieures à celles normalement utilisées à température ambiante. Les scientifiques peuvent également ajuster les paramètres de fonctionnement au fil du temps pour compenser tout dommage survenant au cours de leurs nombreuses années d'utilisation.

Délai jusqu'à l'achèvement

Les préparatifs de la DUNE étant bien avancés et l'expérience devant commencer à générer des données d'ici 2027, les scientifiques de nombreuses institutions ont travaillé dur pour développer des prototypes électroniques.

Les scientifiques du Brookhaven National Laboratory travaillent à perfectionner l'amplificateur, tandis que les équipes du Fermilab, Les laboratoires de Brookhaven et de Berkeley collaborent à la conception du convertisseur analogique-numérique. Le Fermilab s'est également associé à la Southern Methodist University pour développer le composant électronique qui fusionne toutes les données dans un réservoir d'argon avant qu'elles ne soient transmises à l'électronique située à l'extérieur du détecteur froid. Finalement, les chercheurs travaillant sur une conception concurrente au laboratoire national des accélérateurs SLAC tentent de trouver un moyen de combiner efficacement les trois composants en un seul circuit intégré.

Les différentes équipes prévoient de soumettre leurs conceptions de circuits cet été pour examen. Les conceptions sélectionnées seront construites et finalement installées dans les détecteurs de neutrinos DUNE de l'installation souterraine de neutrinos de Sanford dans le Dakota du Sud.