Des neutrinos capturés par une caméra

La plupart des expériences de physique des particules nécessitent le suivi en 3D de particules élémentaires, telles que les neutrinos. Cela est généralement réalisé à l’aide de matériaux appelés scintillateurs, qui sont divisés en de nombreux petits segments, chacun émettant des photons de lumière visible lorsque des particules chargées les traversent. Les photons sont ensuite collectés par des fibres optiques et analysés. Cependant, à mesure que les expériences prennent de l’ampleur, cette approche basée sur la segmentation devient extrêmement lourde et complexe.

Aujourd’hui, une collaboration menée par Till Dieminger, Saúl Alonso-Monsalve et Davide Sgalaberna du département de physique de l’ETH Zurich, en collaboration avec Kodai Kaneyasu, Claudio Bruschini et Edoardo Charbon du Laboratoire AQUA (Advanced Quantum Architecture Lab) de la Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur de l'EPFL, invite la communauté scientifique à changer radicalement la manière dont les particules élémentaires sont détectées. S'éloignant de la segmentation, ils proposent d'utiliser un seul grand bloc solide de matériau scintillateur et de reconstruire les trajectoires des particules à l'aide d'optiques avancées et d'électronique de synchronisation.

Dans le cadre de leur étude, l'équipe a présenté et testé le premier prototype d'un nouveau détecteur capable de réaliser une imagerie ultrarapide, en 3D et à haute résolution de particules dans de grands volumes de matériau scintillateur non segmenté. Cette démonstration, ainsi que des simulations approfondies, ont été publiées dansNature Communications.

Précision spatiale et temporelle

Dans le cadre du projet PLATON financé par le Fonds national suisse de la recherche scientifique, l'équipe ETHZ-EPFL a construit un premier démonstrateur de concept basé sur une caméra à champ lumineux équipée d'un réseau de microlentilles (MLA) et d'un capteur d'imagerie à réseau de diodes à avalanche à photon unique (SPAD), SwissSPAD2, développé par Charbon et son équipe. Élément crucial, SwissSPAD2 ajoute à l'installation une détection de photons synchronisée, permettant de détecter, 97 000 fois par seconde, non seulement où la lumière est produite, mais aussi quand. Cela signifie que la trajectoire 3D d'une particule peut être reconstituée sans segmenter physiquement le matériau.

Lors d'essais en laboratoire, l'équipe a démontré que l’appareil pouvait reconstituer la position des sources lumineuses avec une grande précision, même lorsque seuls quelques photons étaient détectés. Dans tous les cas étudiés, les simulations concordent bien avec les mesures effectuées en laboratoire.

Pour tirer parti de ces résultats prometteurs, les scientifiques développent déjà un nouveau capteur à réseau de SPAD qui leur permettra d'atteindre une efficacité de photodétection plus élevée ainsi qu'une résolution temporelle inférieure à la nanoseconde pour les photons individuels. Grâce à sa précision et à son évolutivité sans précédent, les scientifiques estiment que leur système pourrait améliorer les performances dans diverses applications d'imagerie au-delà de la physique des particules.