Jusqu’à récemment, on pensait que les neutrinos étaient sans masse. Cependant, les théories actuelles suggèrent qu’ils possèdent une masse très faible et qu’ils existent sous trois « saveurs » différentes, capables de se transformer entre elles. Souvent appelées particules fantômes, leur étude est très complexe car elles traversent la plupart des matières normales sans être détectées, nécessitant ainsi des détecteurs spécialisés.


Le dernier détecteur, nommé JUNO, est situé à 750 m sous terre à Jiangmen, en Chine. Ce projet de 400 millions d’euros est le fruit de la collaboration de 17 pays, impliquant 730 scientifiques de 74 universités et laboratoires nationaux. Pour développer le cœur du détecteur, le scintillateur liquide, des numériseurs ultra rapides de Spectrum Instrumentation ont été utilisés.

JUNO est précisément positionné entre huit réacteurs nucléaires existants, fournissant une source de neutrinos pour l’étude. Au centre se trouve une gigantesque sphère acrylique transparente de 34,5 m de diamètre, remplie de 20 000 tonnes d’une substance semblable à de l’huile spécialement développée. Ce scintillateur liquide produit des photons lorsqu’un neutrino interagit avec lui, et il est entouré d’une piscine d’eau de 35 000 tonnes. Les photons sont détectés par environ 45 000 tubes photomultiplicateurs (PMT) entourant 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 pour leurs expériences de haute précision en laboratoire, nécessaires pour caractériser les scintillateurs liquides. Lorsque le détecteur JUNO sera opérationnel fin 2024, il sera le plus grand détecteur de neutrinos liquides jamais construit, améliorant considérablement notre compréhension des interactions et des propriétés de ces particules insaisissables.

La sphère centrale en acrylique contient le scintillateur liquide entouré d’une couche d’eau, tous deux devant être ultra purs pour éviter toute contamination radioactive. Pendant la construction, les ouvriers devaient porter deux paires de gants pour éviter toute contamination par la sueur. Le détecteur est situé dans un espace spécialement creusé à 750 m sous terre pour le protéger des radiations ambiantes.

Lorsqu’un neutrino interagit avec le scintillateur liquide (LS), il dépose de l’énergie dans les molécules de cette substance. La grande puissance lumineuse du LS (typiquement > 10 000 photons / MeV) permet une détermination précise de l’énergie déposée. Il serait également utile de pouvoir reconstruire la direction du neutrino incident. Ici, la lumière Tcherenkov, faible mais directionnelle, du passage initial du neutrino dans l’eau est utilisée pour fournir cette information aux physiciens.

L’objectif actuel du développement des scintillateurs liquides à Munich et à Mayence est de séparer la lumière rapide mais faible de Tcherenkov de la lumière dominante de scintillation, permettant ainsi une reconstruction simultanée de l’énergie et de la direction. 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.
 
Le numériseur PCIe M4i.2212-x8 de Spectrum Instrumentation avec une vitesse d'échantillonnage de 1,25 Géch./s sur 4 canaux

« Nous avons choisi les cartes de numérisation de Spectrum car elles offrent des performances de pointe sans être coûteuses ou sur mesure », a déclaré le Dr Hans Steiger. « L’approche modulaire de Spectrum nous a permis de spécifier exactement ce dont nous avions besoin sur les cartes, évitant ainsi des compromis ou des dépenses inutiles. J’apprécie 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 apporte une tranquillité d’esprit. »

Les résultats de JUNO stimulent également la recherche en astronomie. En plus de la reconstitution des événements, l’équipe contribue à un projet d’étalonnage pour JUNO, caractérisant le matériau du détecteur à l’aide de sources radioactives gamma et neutroniques avec des énergies et des directions incidentes prédéterminées. « Nos caractérisations des scintillateurs liquides sont possibles 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, généralement de 1 V, ce qui signifie qu’elles peuvent facilement gérer les impulsions de 3 V que nous rencontrons dans nos PMT », a souligné Meishu Lu, doctorant au TUM. Manuel Böhles, de Mayence, ajoute : « Spectrum nous a vraiment aidés à trouver les meilleures solutions pour notre projet et à résoudre tous les problèmes avec un simple appel téléphonique à 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, fournissant des informations 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 son origine, qu’elle provienne des réacteurs chinois, du soleil, du cœur de la Terre ou de l’espace lointain. « Nous n’avons jamais pu déterminer exactement l’origine d’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 supernova, émet de grandes quantités de neutrinos, nous pouvons maintenant non seulement les détecter, mais aussi reconstruire avec précision le point dans le ciel où cette explosion a eu lieu. Nous disposons désormais d’un télescope pour examiner ces différentes sources de neutrinos et 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 de la direction, nous ouvrons une nouvelle ère de l’astronomie multi-messagers.

Spectrum Instrumentation