Alimenté par les pixels

L’utilisation innovante de la technologie des pixels permet d’améliorer encore les détecteurs de neutrinos à l’argon liquide.

Comprendre les neutrinos pourrait nous indiquer pourquoi l’Univers est dominé par la matière, pourquoi les neutrinos ont une si petite masse et s’il existe de nouveaux types de neutrinos. Cependant, étudier les neutrinos n’est pas une tâche facile. Les neutrinos ont démontré que leurs interactions sont beaucoup plus complexes que le nous croyions et leur faible interaction demande de très larges détecteurs. Les développements récents de la technologie de détecteurs à argon liquide apportent des opportunités uniques pour étudier ces mystérieuses particules avec une précision inégalée.
Harvard University

Nous sommes en 2019. Nous voulons que nos téléphones cellulaires soient rapides, nos ordinateurs plus rapides et nos écrans si nets qu’ils rivalisent avec ceux d’un matin dans les montagnes. Nous sommes une société numérique, et les photos floues des caméras grossières ne conviennent pas aux masses. Il s’avère que les physiciens ne sont pas différents – et ils veulent que leurs détecteurs de neutrinos aient la performance la plus fine.

Cue ArgonCube : un prototype de détecteur en cours de développement qui propulse une technologie encore en plein essor vers de nouveaux sommets avec un plan pour capturer des pistes de particules dignes de cette télévision 4K. Le secret en son cœur ? C’est une question de pixels.

Les scientifiques testent la technologie ArgonCube dans un prototype construit à l’Université de Berne en Suisse.

Mais reculons de deux pas. L’argon est un élément qui représente environ 1 % de l’air que vous respirez. Au cours des dernières décennies, la forme liquide de l’argon est devenue le milieu de choix pour les détecteurs de neutrinos. Les neutrinos sont ces particules fondamentales qui interagissent rarement avec quoi que ce soit, mais qui pourraient être la clé pour comprendre pourquoi il y a tant de matière dans l’univers.

Les gros détecteurs pleins d’argon froid et dense fournissent de nombreux noyaux atomiques avec lesquels les neutrinos peuvent se cogner et interagir – surtout lorsque les accélérateurs de particules envoient des faisceaux contenant des milliards de petites choses. Lorsque les neutrinos interagissent, ils créent des averses d’autres particules et des lumières que l’électronique du détecteur capture et transforme en images.

Chaque image est un instantané qui capture l’interaction d’une des particules les plus mystérieuses, les plus volantes et les plus insaisissables qui soient ; une particule qui a fait que Wolfgang Pauli, en la proposant en 1930, s’est plaint que les expérimentateurs ne seraient jamais en mesure de la détecter.

Les détecteurs de neutrinos à argon liquide de pointe actuels – de grands acteurs comme MicroBooNE, ICARUS et ProtoDUNE – utilisent des fils pour capturer les électrons libérés par les interactions des neutrinos. De vastes plans de milliers de fils sillonnent les détecteurs, chaque ensemble recueillant des coordonnées qui sont combinées par des algorithmes en reconstructions 3D de l’interaction d’un neutrino.

Ces installations sont efficaces, bien comprises et sont un excellent choix pour les grands projets – et vous n’obtenez pas moins grand que l’expérience internationale Deep Underground Neutrino Experiment organisée par Fermilab.

DUNE examinera comment les trois types connus de neutrinos changent au fur et à mesure qu’ils parcourent de longues distances, explorant ainsi un phénomène appelé oscillations des neutrinos. Les scientifiques enverront des milliards de neutrinos de Fermilab chaque seconde pour un voyage de 1 300 kilomètres à travers la terre – sans tunnel – vers le Dakota du Sud. DUNE utilisera des chambres à fil dans certains des quatre énormes modules détecteurs éloignés, chacun contenant plus de 17 000 tonnes d’argon liquide.

Mais les scientifiques doivent aussi mesurer le faisceau de neutrinos à la sortie du Fermilab, où le détecteur de proximité DUNE sera proche de la source de neutrinos et verra plus d’interactions.

« Nous nous attendons à ce que le faisceau soit si intense que vous aurez une douzaine d’interactions de neutrinos par impulsion de faisceau, et celles-ci se chevaucheront toutes dans votre détecteur « , dit Dan Dwyer, un scientifique du Lawrence Berkeley National Laboratory qui travaille sur ArgonCube. Essayer de démêler un grand nombre d’événements à l’aide de l’imagerie filaire 2D est un défi. « Le détecteur de proximité sera une nouvelle gamme de complexité. »

Et la nouvelle complexité, dans ce cas, implique le développement d’un nouveau type de détecteur d’argon liquide.

Un dessin au tableau noir d'un module ArgonCubeCe schéma grossier d’un module détecteur ArgonCube a été dessiné par Knut Skarpaas.

Pixel, pixel, pixel

Les gens avaient déjà pensé à fabriquer un détecteur pixélisé, mais il n’a jamais décollé.

« C’était un rêve », déclare Antonio Ereditato, père de la collaboration ArgonCube et chercheur à l’Université de Berne en Suisse. « Nous avons développé cette idée originale à Berne, et il était clair qu’elle ne pouvait marcher qu’avec l’électronique adéquate. Sans elle, cela n’aurait été qu’un vœu pieux. Nos collègues de Berkeley avaient exactement ce qu’il fallait. »

Les pixels sont petits, et les détecteurs de neutrinos ne le sont pas. Vous pouvez adapter environ 100 000 pixels par mètre carré. Chacun d’entre eux est un canal unique qui – une fois équipé d’électronique – peut fournir des informations sur ce qui se passe dans le détecteur. Pour être suffisamment sensible, la minuscule électronique doit se trouver juste à côté des pixels à l’intérieur de l’argon liquide. Mais cela pose un défi.

« S’ils utilisaient ne serait-ce que l’alimentation de votre système électronique standard, votre détecteur ne ferait qu’ébullition « , dit M. Dwyer. Et un détecteur d’argon liquide ne fonctionne que lorsque l’argon reste… liquide.

Dan Dwyer souligne les caractéristiques de l’électronique pixélisée.

Dwyer et Carl Grace, ingénieur ASIC au Berkeley Lab, ont donc proposé une nouvelle approche : Et s’ils avaient laissé chaque pixel inerte ?

Quand le signal arrive au pixel, il se réveille et dit :  » Hé, il y a un signal ici « , explique Dwyer. « Puis il enregistre le signal, l’envoie et se rendort. Nous avons pu réduire drastiquement la quantité d’énergie. »

À moins de 100 microwatts par pixel, cette solution semblait être une conception prometteuse qui ne transformerait pas le détecteur en une tour de gaz. Ils ont assemblé un circuit prototype personnalisé et ont commencé les essais. La nouvelle conception électronique a fonctionné.

Le premier test n’était que de 128 pixels, mais les choses se sont mises à l’échelle rapidement. L’équipe a commencé à travailler sur le défi des pixels en décembre 2016. En janvier 2018, ils avaient voyagé en Suisse avec leurs puces, les avaient installées dans le détecteur d’argon liquide construit par les scientifiques bernois et avaient recueilli leurs premières images 3D des rayons cosmiques.

« C’était le choc et la joie », dit Dwyer.

Pour la prochaine installation chez Fermilab, les collaborateurs auront besoin d’encore plus d’électronique. La prochaine étape consiste à collaborer avec les fabricants de l’industrie pour fabriquer commercialement les puces et les cartes d’affichage qui supporteront environ un demi-million de pixels. Et Dwyer a reçu un prix du Département de l’énergie en début de carrière pour poursuivre ses recherches sur l’électronique des pixels, en complément de la bourse suisse du FNS pour le groupe bernois.

« Nous essayons de le faire selon un calendrier très agressif – c’est une autre course folle « , dit Dwyer. « Nous avons constitué une très bonne équipe sur ArgonCube et nous avons fait un excellent travail en démontrant que nous pouvons faire fonctionner cette technologie pour le détecteur de proximité DUNE. Et c’est important pour la physique, à la fin de la journée. »


Samuel Kohn, Gael Flores et Dan Dwyer travaillent sur la technologie ArgonCube au Lawrence Berkeley National Laboratory.

Plus d’innovations à venir

Bien que l’électronique centrée sur les pixels d’ArgonCube se distingue, ce ne sont pas les seules innovations technologiques que les scientifiques envisagent de mettre en œuvre pour le prochain détecteur de proximité de DUNE. Il y a de la recherche et du développement sur un nouveau type de système de détection de la lumière et une nouvelle technologie pour façonner le champ électrique qui attire le signal vers l’électronique. Et, bien sûr, il y a les modules.

La plupart des détecteurs d’argon liquide utilisent un grand récipient rempli d’argon et pas trop. Les signaux dérivent sur de longues distances à travers le fluide jusqu’aux longs fils enfilés sur un côté du détecteur. Mais ArgonCube s’oriente vers quelque chose de beaucoup plus modulaire, en divisant le détecteur en unités plus petites encore contenues dans le cryostat environnant. Cela a certains avantages : Le signal n’a pas besoin de se déplacer aussi loin, l’argon n’a pas besoin d’être aussi pur pour que le signal atteigne sa destination, et les scientifiques pourraient éventuellement récupérer et réparer des modules individuels si nécessaire.

« C’est un peu plus compliqué que le détecteur filaire typique « , explique Min Jeong Kim, qui dirige l’équipe de Fermilab travaillant sur la cryogénie et sera impliqué dans l’intégration mécanique du prototype du banc d’essai ArgonCube. « Nous devons trouver comment ces modules vont s’interfacer avec le système cryogénique. »

Cela signifie qu’il faut tout déterminer, depuis le remplissage du détecteur avec de l’argon liquide et le maintien de la bonne pression pendant le fonctionnement jusqu’à la filtration appropriée des impuretés de l’argon et la circulation du fluide autour (et à travers) les modules pour maintenir une distribution uniforme de la température.

Des chercheurs assemblent des composants dans le détecteur d’essai de l’Université de Berne.

Le prototype ArgonCube en cours d’assemblage à l’Université de Berne fonctionnera jusqu’à la fin de l’année avant d’être expédié à Fermilab et installé à 100 mètres sous terre, ce qui en fait le premier grand prototype pour DUNE envoyé à Fermilab et testé avec des neutrinos. Après avoir travaillé sur ses défauts, les chercheurs peuvent finaliser la conception et construire le détecteur ArgonCube complet.

Des instruments et composants supplémentaires tels qu’une chambre à gaz argon et un spectromètre à faisceau complètent le détecteur de proximité.

C’est une période passionnante pour la centaine de physiciens de 23 institutions travaillant sur ArgonCube – et pour les plus de 1 000 physiciens neutrinos de plus de 30 pays travaillant sur DUNE. Ce qui était au départ un vœu pieux est devenu une réalité – et personne ne sait jusqu’où la technologie des pixels peut aller.

Ereditato rêve même de remplacer le design de l’un des quatre modules de détection massive DUNE far par une version pixelisée. Mais une chose à la fois, dit-il.

« En ce moment, nous nous concentrons sur la construction du meilleur détecteur de proximité possible pour DUNE « , explique M. Ereditato. « Le chemin a été long, avec de nombreuses personnes impliquées, mais la technologie de l’argon liquide est encore jeune. La technologie ArgonCube est la preuve que cette technique a le potentiel pour être encore plus performante à l’avenir. »

Via Symmetry, Fermilab

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