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Première lumière et premières traces observées par WA105 au CERN

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Première lumière et premières traces observées par WA105 au CERN

Le 21 juin dernier, le détecteur prototype WA105 a enregistré ses premières traces de particules issues de rayonnement cosmique, un pas important vers le futur détecteur de neutrinos géant DUNE !

Le détecteur DUNE étudiera les différences entre neutrinos et anti-neutrinos, en quête d’une asymétrie qui pourrait nous éclairer sur la disparition de l’anti-matière dans notre univers !

WA105 est un détecteur démonstrateur qui permet d’orienter et de valider les choix technologiques pour le futur détecteur DUNE. Le LAPP participe activement au projet WA105 sur des volets variés qui concernent la mécanique, l’automatisme, la simulation et l’analyse de données. La collaboration internationale WA105 implique 14 instituts dont 4 laboratoires de l’IN2P3 (APC, LPHNE, IPNL, LAPP) et l’Irfu du CEA.

Ce détecteur est construit selon le principe d’un détecteur à traces de type chambre à projection temporelle. Il contient 5 tonnes, soit 3000 litres, d’argon liquide à la température de -185°C. L’argon est bien adapté à l’interaction avec les neutrinos, et permet la production de lumière et d’électrons lors du passage de particules chargées. A la différence des détecteurs précédents, ce nouveau détecteur contient également une petite quantité d’argon gazeux au-dessus du liquide, ce qui lui confère l’état particulier d’être un détecteur à deux phases. Avec ce choix technologique, les électrons produits dérivent grâce à un champ électrique et sont extraits du liquide dans la phase gazeuse pour y être multipliés et fournir un signal amplifié permettant de reconstruire les traces de particules en 3D. Des tests ont été réalisés auparavant dans des détecteurs plus petits mais jamais à cette échelle.

Fig. 1 : Image du détecteur WA105 3x1x1 lors de son insertion dans le cryostat.

Pour fonctionner à la température de -185°C, le détecteur est placé dans une énorme structure (cryostat) avec des parois de plus de 1 mètre d’isolation tout autour (Figure 1). Après une période de mise au point à la fois sur le système de refroidissement, sur le cryostat, sur les ajustements de position du plan de lecture et des différentes hautes tensions pour l’extraction des électrons dans le gaz, les premières particules ont pu être observées. Cela à la fois en détectant la lumière de scintillation produite dans le liquide et dans le gaz et en collectant les électrons après amplification sur les plans d’anode. La Figure 2 montre la première trace enregistrée d’un rayon cosmique.

Fig. 2 : Reconstruction dans les 2 plans de lecture de la première trace d’un rayon cosmique

Ce cryostat de grande taille dans lequel le détecteur a été installé préfigure ceux qui sont actuellement en construction au CERN pour la future génération de ces détecteurs à argon liquide appelés ProtoDUNE. Ils serviront de démonstrateurs pour tous les aspects de validation technologiques et scientifiques avant la fabrication des modules de 10 kilo tonnes prévus pour DUNE. Les étapes suivantes du projet WA105 sont la collecte et l’analyse des données et la poursuite de la construction du démonstrateur, cette fois de 200 000 litres d’argon liquide, appelé ProtoDUNE-DP (Double Phase) au CERN en vue de prendre des données de faisceau de particules chargées fin 2018.

Pour en savoir plus : https://lapp.in2p3.fr/spip.php?article1502

Contact : Dominique Duchesneau