Une expérience pour capturer des images 3D sans précédent des trajectoires de particules chargées a été démontrée à l'aide de rayons cosmiques lorsqu'ils frappent et voyagent à travers un cryostat rempli d'une tonne d'argon liquide. Les résultats confirment les capacités d'une nouvelle technologie de détection pour la physique des particules développée par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en collaboration avec plusieurs partenaires universitaires et industriels.

Innovant en termes d'échelle pour cette nouvelle technologie, l'expérience à l'Université de Berne, La Suisse, dirigée à distance en raison de la pandémie de COVID-19, montre qu'elle est prête pour un projet beaucoup plus vaste et ambitieux :la Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), a déclaré le scientifique et chef d'équipe du Berkeley Lab, Dan Dwyer.

En quelques années seulement, l'équipe du Berkeley Lab a concrétisé un concept ambitieux appelé LArPix (pixels d'argon liquide), dit Dwyer. "Nous avons surmonté les défis du bruit, consommation d'énergie, compatibilité cryogénique, et plus récemment l'évolutivité/la fiabilité en transférant de nombreux aspects de cette technologie à la fabrication industrielle."

DUNE est une nouvelle installation scientifique majeure en cours de construction par le Département américain de l'énergie (DOE) pour étudier les propriétés des neutrinos subatomiques qui seront tirés sous terre à partir d'un accélérateur du DOE's Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) près de Chicago, Dwyer a expliqué. Les neutrinos sont des particules extrêmement légères qui interagissent faiblement avec la matière, ce que les chercheurs aimeraient mieux comprendre dans leur quête pour répondre à des questions fondamentales sur l'univers.

Les neutrinos produits par l'accélérateur Fermilab passeront par un détecteur proche, instrumenté avec LArPix, sur le site du Fermilab avant de poursuivre leur voyage de 700 milles dans une mine souterraine profonde du Dakota du Sud.

LArPix est un bond en avant dans la façon de détecter et d'enregistrer des signaux dans les chambres à projection temporelle d'argon liquide (LArTPC), une technologie de choix pour les futures expériences sur les neutrinos et la matière noire, Dwyer a expliqué.

Dans un LArTPC, des particules subatomiques énergétiques pénètrent dans la chambre et libèrent ou ionisent des électrons dans l'argon liquide. Une forte, un champ électrique appliqué de l'extérieur fait dériver les électrons vers un côté anodique de la chambre du détecteur où généralement un plan de fils agit comme des antennes sensibles pour lire ces signaux et créer des images stéréoscopiques 2D de l'événement. Mais cette technologie n'est pas suffisante pour faire face à l'intensité et à la complexité des événements neutrinos à lire pour le Near Detector DUNE, dit Dwyer.

"Donc, c'est là que nous, à Berkeley Lab, intervenons avec cette véritable lecture de pixels 3D fournie par LArPix, " a déclaré Dwyer. " Cela nous permettra d'imager les neutrinos de DUNE avec une haute fidélité dans un environnement très chargé. "

En utilisant LArPix, il expliqua, les plans de fils sont remplacés par des réseaux de pixels métalliques fabriqués sur des circuits électroniques standards, qui peut être facilement fabriqué. L'électronique basse consommation, il a dit, sont compatibles avec les exigences de l'état cryogénique du milieu argon liquide.