Numériseurs ultra rapides pour identifier les neutrinos dans le projet JUNO
Jusqu’à récemment, on croyait que les neutrinos étaient dépourvus de masse. Cependant, les théories actuelles suggèrent qu’ils possèdent une masse très faible et qu’ils existent sous trois « saveurs » différentes, pouvant alterner entre elles.Souvent appelées particules fantômes, leur étude est très difficile car elles traversent généralement la plupart des matières normales sans entrave et sans être détectées, de sorte que des détecteurs spécialisés doivent être construits pour les rechercher.
Le dernier en date, baptisé JUNO, est situé à 750 m sous terre à Jiangmen, en Chine, et est rendu possible grâce à 17 pays différents avec 730 scientifiques travaillant dans 74 universités et laboratoires nationaux, qui ont uni leurs forces sur ce projet de 400 millions d’euros. Pour développer la partie centrale du détecteur, le scintillateur liquide, on a utilisé des numériseurs ultra rapides de Spectrum Instrumentation.
JUNO est positionné avec précision entre huit réacteurs nucléaires existants qui fournissent une source de neutrinos pour l’étude. En son cœur se trouve une gigantesque sphère acrylique hautement transparente d’un diamètre intérieur de 34,5 m, remplie de 20 000 tonnes d’une substance semblable à de l’huile spécialement développée. Ce scintillateur liquide crée des photons lorsqu’un neutrino interagit avec lui, et il est enfermé dans une grande piscine d’eau de 35 000 tonnes. Les photons sont détectés par un réseau d’environ 45 000 tubes photomultiplicateurs (PMT) qui entourent la sphère. Les équipes de l’Université technique de Munich (TUM) et de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence utilisent les cartes de numérisation M4i.2212 de Spectrum Instrumentation dans leurs expériences de haute précision à l’échelle du laboratoire pour caractériser les scintillateurs liquides qui nécessitent une acquisition de données avancée. Lorsque le détecteur JUNO sera mis en service à la fin de 2024, il sera le plus grand détecteur de neutrinos liquides construit par l’humanité. Le détecteur améliorera considérablement nos connaissances sur les interactions et les propriétés de ces particules fantômes insaisissables.
Le détecteur principal JUNO à 750 m sous terre dans un laboratoire dédié. La photo montre la flaque d’eau (encore vide) du détecteur avec l’échafaudage central. À l’intérieur de ce globe, la sphère acrylique de 34,5 m de diamètre est placée, remplie de scintillateur liquide. Le couvercle blanc protège uniquement les composants sensibles lors du montage
Détection des neutrinos
La sphère centrale en acrylique contient le scintillateur liquide entouré d’une couche d’eau. Les deux doivent être ultra purs, car la plus petite quantité de contamination pourrait contenir de la matière radioactive. Pendant la construction, les ouvriers ont dû porter deux paires de gants, car même la sueur d’une empreinte digitale pouvait contaminer et ruiner l’ensemble du projet. Le détecteur se trouve dans un espace spécialement creusé à 750 m sous terre pour le protéger des rayonnements ambiants.
Lorsqu’un neutrino interagit avec le scintillateur liquide (LS), il dépose l’énergie de l’interaction avec les molécules de cette substance. L’énorme puissance lumineuse du LS (typiquement > 10.000 Photons / MeV) assure une détermination précise de l’énergie déposée. Il serait très utile de pouvoir également reconstruire la direction du neutrino incident. Ici, la lumière Tcherenkov, faible mais directionnelle, du passage initial du neutrino dans l’eau est appariée pour donner aux physiciens cette information.
L’objectif du développement actuel des scintillateurs liquides à Munich et à Mayence est de séparer la lumière rapide mais faible de Tcherenkov de la lumière dominante de scintillation afin de permettre une reconstruction simultanée de l’énergie et de la direction. Par conséquent, l’équipe dirigée par le Dr Hans Steiger a construit plusieurs expériences de laboratoire de précision avec des capacités améliorées de collecte de la lumière et de résolution temporelle.
« Nous avons choisi les cartes de numérisation de Spectrum car elles nous offrent des performances de pointe mais, contrairement aux offres concurrentes, elles ne sont pas coûteuses ou des créations sr mesure », a déclaré le Dr Hans Steiger, qui dirige le projet. « L’approche modulaire de Spectrum signifie que nous avons pu spécifier exactement ce dont nous avions besoin sur les cartes afin d’éviter de faire des compromis ou de gaspiller de l’argent sur des fonctionnalités inutiles. J’aime le fait qu’il s’agisse d’un produit PCIe standard, ce qui nous permet d’étendre le système sur un châssis d’ordinateur standard au fur et à mesure que nous recevons plus de fonds. En tant qu’université participant à de grands projets internationaux à long terme, nous avons besoin de pièces fiables et la garantie de cinq ans de Spectrum nous donne la tranquillité d’esprit.
Le numériseur PCIe M4i.2212-x8 de Spectrum Instrumentation avec une vitesse d’échantillonnage de 1,25 Géch./s sur 4 canaux.
Les résultats de JUNO stimulent également la recherche en astronomie
Au-delà du travail de reconstitution de l’événement, l’équipe contribue à un projet d’étalonnage pour JUNO. Cela caractérise le matériau du détecteur à l’aide de sources radioactives gamma et neutroniques où l’énergie et la direction incidente sont prédéterminées. « Nos caractérisations des scintillateurs liquides ne sont possibles que grâce aux cartes de numérisation ultrarapides qui nous permettent de travailler avec des temps mesurés en picosecondes. De plus, la plage dynamique de 5 V est bien meilleure que celle de ses rivaux qui sont généralement de 1 V, ce qui signifie qu’ils peuvent facilement gérer les impulsions de 3 V que nous rencontrons dans nos PMT », a souligné Meishu Lu, doctorant dans le groupe du TUM. Et Manuel Böhles, qui travaille à Mayence, d’ajouter : « Spectrum nous a vraiment aidés à trouver les meilleures solutions pour notre projet et à résoudre tous les problèmes que nous rencontrons avec un simple appel téléphonique directement avec l’un de leurs ingénieurs. C’est formidable qu’ils s’engagent à soutenir la recherche fondamentale dans de nombreuses universités comme la nôtre.
Cinématique d’émission de lumière typique d’un mélange à scintillation liquide lente. La lumière Tcherenkov (ligne rouge) sous la forme d’un pic net dans le temps est suivie par la décroissance plus lente de la lumière à scintillation (ligne verte).
Le schéma montre la première impulsion du rayonnement Tcherenkov suivie du signal de scintillation qui donne l’information sur l’énergie. Cela se produit en moins de deux nanosecondes. En combinant ces informations, il est possible de déterminer le type de particule et d’où elle provient. Cela pourrait provenir de l’un des réacteurs chinois, du soleil, du cœur de la terre ou de l’espace lointain. « Nous n’avons jamais été en mesure de savoir exactement d’où venait un neutrino dans les détecteurs à scintillation auparavant, ce qui ouvre de nouveaux domaines de recherche », a expliqué le Dr Steiger. « Si, par exemple, une étoile mourante, ou ce que l’on appelle une supernova, émet de grandes quantités de neutrinos dans le ciel, nous sommes maintenant en mesure non seulement de voir les neutrinos, mais aussi de reconstruire avec une grande précision le point dans le ciel où cette explosion a eu lieu. En effet, nous disposons désormais d’un télescope pour examiner ces différentes sources de neutrinos afin de mieux comprendre les processus. En détectant la lumière sur l’ensemble du spectre, les ondes gravitationnelles et maintenant aussi les neutrinos avec des statistiques élevées, une résolution de l’énergie et sa direction on ouvre une nouvelle ère de l’astronomie multi-messagers.
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