Certaines percées en physique proviennent d'inventions entièrement nouvelles. D'autres commencent par une nouvelle théorie. Mais de nombreuses avancées se produisent lorsque des chercheurs combinent des technologies familières d'une manière inattendue et créent quelque chose de plus puissant que les parties individuelles.

Cette stratégie pourrait être particulièrement précieuse dans la recherche de particules à faible interaction, y compris les neutrinos et certains candidats à la matière noire. Ces particules sont notoirement difficiles à détecter car elles interagissent rarement avec la matière ordinaire. Construire des détecteurs plus grands et améliorer leur résolution spatiale peut augmenter les chances d'observer les signaux faibles qu'elles produisent, mais cela rend souvent les instruments plus compliqués et plus coûteux.

Des exigences similaires s'appliquent aux calorimètres, les dispositifs utilisés dans les expériences de collisionneurs pour mesurer l'énergie transportée par les particules.

La plupart des expériences de physique des particules doivent reconstruire les trajectoires tridimensionnelles (3D) des particules élémentaires lorsqu'elles se déplacent à travers de grands volumes de matière dense.

Un matériau de détection courant est le scintillateur. Lorsqu'une particule chargée traverse un scintillateur, le matériau émet de minuscules éclairs de lumière visible. Les scientifiques utilisent ces éclairs pour déterminer où la particule s'est déplacée et comment elle a interagi avec le détecteur.

Pour localiser précisément la particule, le scintillateur est généralement divisé en un grand nombre de petites sections actives. Des fibres optiques collectent les photons produits dans chaque section et transportent la lumière vers des tubes photomultiplicateurs ou des photomultiplicateurs en silicium, qui comptent les photons.

Cette approche peut être très précise, mais elle devient difficile à mettre à l'échelle.

L'expérience d'oscillation de neutrinos T2K au Japon, par exemple, utilise un détecteur avec environ deux tonnes de matériau sensible composé d'environ deux millions de cubes et 60 000 fibres. Au CERN et à l'Institut Paul Scherrer, les expériences LHCb et Mu3e atteignent une résolution spatiale submillimétrique en utilisant des millions de fines fibres scintillantes.

Ces systèmes démontrent ce que les détecteurs segmentés peuvent accomplir, mais ils révèlent également un problème croissant. À mesure que les détecteurs deviennent plus grands, la fabrication, l'assemblage et la lecture de millions de composants individuels peuvent devenir un goulot d'étranglement technologique et financier majeur.

Une approche radicalement nouvelle du suivi des particules

Des chercheurs de l'ETH Zurich et de l'EPFL proposent désormais une stratégie très différente.

L'étudiant en doctorat Till Dieminger, le scientifique principal Dr. Saúl Alonso-Monsalve, le professeur Davide Sgalaberna et ses collègues de son groupe, ainsi que des membres du Advanced Quantum Architecture Lab de l'EPFL à Lausanne dirigé par le professeur Edoardo Charbon, ont développé et testé le premier prototype d'un détecteur conçu pour réaliser une imagerie 3D ultrarapide et haute résolution des particules à l'intérieur d'un grand bloc non segmenté de matériau scintillateur.

Au lieu de diviser le détecteur en millions d'unités minuscules, le système utilise une technologie de caméra avancée pour reconstruire l'origine de la lumière.

La démonstration du prototype et une série extensive de simulations ont été décrites récemment dans Nature Communications.

Transformer la photographie de champ lumineux en outil de physique

Le détecteur s'inspire des caméras plénoptiques, également connues sous le nom de caméras à champ lumineux.

Contrairement à une caméra ordinaire, qui enregistre principalement l'intensité de la lumière entrante, une caméra à champ lumineux capture également des informations sur la direction d'où provient la lumière. Cela lui permet de récupérer la profondeur et de reconstruire une scène en trois dimensions.

La technologie repose sur un réseau de micro-lentilles (MLA) placé entre l'objectif principal de la caméra et le capteur d'image. Chaque lentille microscopique agit comme une minuscule caméra, enregistrant la même scène sous un angle légèrement différent. Lorsque les informations de toutes ces lentilles sont combinées, le système peut reconstruire un champ lumineux, qui décrit l'intensité, la position et la direction de la lumière entrante.

Pour la détection de particules, cette capacité est particulièrement utile car la lumière à l'intérieur d'un scintillateur peut être extrêmement faible.

Lorsque les caméras plénoptiques