Les scintillateurs plastiques sont l'un des matériaux actifs les plus utilisés en physique des hautes énergies. Leurs propriétés permettent de suivre et de distinguer les topologies de particules. Entre autres, des scintillateurs sont utilisés dans les détecteurs d'expériences d'oscillation de neutrinos, où ils reconstruisent l'état final de l'interaction neutrino. Les mesures des phénomènes d'oscillation sont réalisées par comparaison d'observations de neutrinos dans des détecteurs proches (proche de la cible) et lointains (jusqu'à plusieurs centaines de kilomètres).

Le CERN est fortement impliqué dans l'expérience T2K, l'expérience d'oscillation de neutrinos de classe mondiale actuelle, au Japon, qui a récemment publié des résultats prometteurs. Une future mise à niveau du détecteur proche de l'expérience ouvrira la voie à des résultats plus précis. Le nouveau détecteur comprendra un détecteur à scintillateur en plastique à base de polystyrène de deux tonnes segmenté en 1 x 1 x 1 cm ³ cubes, conduisant à un total d'environ deux millions d'éléments sensibles :plus les cubes sont petits, plus les résultats sont précis. Cette technologie pourrait être adoptée pour d'autres projets, comme le détecteur de proximité DUNE. Cependant, des mesures plus précises nécessiteraient une granularité plus fine, rendant l'assemblage du détecteur plus difficile.

C'est ici qu'intervient le groupe CERN EP-Neutrino, dirigé par Albert De Roeck, développer une nouvelle technique de production de scintillateurs plastiques qui implique la fabrication additive. La R&D est réalisée en collaboration avec l'Institut des matériaux de scintillation (ISMA) de l'Académie nationale des sciences d'Ukraine, qui possède une forte expertise dans le développement de matériaux scintillateurs, et la Haute École d'Ingénierie et Gestion du Canton de Vaud (HEIG-VD), qui est expert en fabrication additive. L'objectif final est d'imprimer en 3D un "super-cube, " C'est, un seul bloc massif de scintillateur contenant de nombreux cubes optiquement indépendants. L'impression 3D résoudrait le problème de l'assemblage des cubes individuels, qui pourrait ainsi être produit dans n'importe quelle taille, y compris moins de 1 cm ³ , et relativement rapidement (volumes supérieurs à 20 x 20 x 20 cm ³ peut être produit en une journée environ).

Jusque là, la collaboration a été fructueuse. Un test préliminaire a donné la première preuve de concept :le rendement lumineux de scintillation d'un scintillateur à base de polystyrène imprimé en 3D avec une modélisation par dépôt fondu s'est avéré comparable à celui d'un scintillateur traditionnel. Mais la route vers un super-cube prêt à l'emploi est encore longue. Optimisation supplémentaire des paramètres du scintillateur et réglage de la configuration de l'imprimante 3D, suivi d'une caractérisation complète du scintillateur imprimé en 3D, devra être réalisé avant que le matériau réflecteur de lumière pour isoler optiquement les cubes puisse être développé.

Cette nouvelle technique pourrait également ouvrir de nouvelles possibilités dans le domaine de la détection de particules. Un détecteur à scintillateur en plastique imprimé en 3D réussi pourrait ouvrir la voie à une utilisation plus large de cette technologie dans la construction de détecteurs, qui pourrait bousculer le domaine de la physique des hautes énergies, ainsi que celui de la médecine, où des détecteurs de particules sont utilisés, par exemple, dans le traitement du cancer. De plus, l'imprimante 3-D très rentable pourrait être reproduite assez facilement et utilisée dans un grand nombre de paramètres. Umut Kosé, du groupe EP-neutrino et Neutrino Platform au CERN, explique :« Notre rêve va au-delà du super-cube. Nous aimons penser que, dans quelques années, L'impression 3D permettra aux lycéens de fabriquer leurs propres systèmes de détection de rayonnement. Le potentiel de diffusion de cette technologie est époustouflant."

Davide Sgalaberna, maintenant à l'ETH Zurich, ne peut cacher son enthousiasme pour cette aventure :« C'est la première fois que l'impression 3D peut être utilisée pour de vrais détecteurs de particules. Nous transformons notre volonté personnelle en projet, et nous espérons que cela pourrait conduire à une percée. C'est passionnant." Ce frisson est partagé par les collègues de Davide, qui sont plus que prêts à reprendre le travail sur le détecteur imprimé en 3D une fois que l'assouplissement du confinement permettra à tout le monde de retourner au CERN.