Le détecteur principal de JUNO est situé à 750 mètres sous terre, dans un laboratoire spécialisé. La photo montre le bassin d'eau (encore vide) du détecteur, avec l'échafaudage central. À l'intérieur de cet échafaudage se trouve une sphère en acrylique de 34,5 mètres de diamètre, remplie de scintillateur liquide. Le couvercle blanc protège uniquement les composants sensibles pendant l'assemblage.
JUNO est positionné avec précision entre huit réacteurs nucléaires existants, fournissant ainsi une source de neutrinos pour l'étude. En son cœur se trouve une sphère géante en acrylique très transparente, de 34,5 mètres de diamètre intérieur, remplie de 20 000 tonnes d'une substance huileuse spécialement développée. Ce scintillateur liquide crée des photons lorsqu'un neutrino interagit avec lui et est contenu dans un grand bassin d'eau de 35 000 tonnes. Les photons sont détectés par un réseau d'environ 45 000 tubes photomultiplicateurs (PMT) entourant la sphère. Des 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 dans leurs expériences de haute précision à l'échelle du laboratoire pour caractériser les scintillateurs liquides, ce qui nécessite une acquisition de données avancée. Lorsque le détecteur JUNO sera opérationnel fin 2024, il sera le plus grand détecteur de neutrinos liquides jamais construit. Ce détecteur améliorera considérablement notre compréhension des interactions et des propriétés de ces particules fantômes insaisissables.
Cinématique typique d'émission lumineuse pour un mélange à scintillation liquide lente. La lumière Tcherenkov (ligne rouge), sous la forme d'un pic temporel aigu, est suivie par la décroissance plus lente de la lumière de scintillation (ligne verte).
Détection des neutrinos :
La sphère centrale en acrylique contient le scintillateur liquide entouré d’une couche d’eau. Ces deux éléments doivent être d’une pureté extrême, car la moindre contamination pourrait introduire des matières radioactives. Lors de la construction, les ouvriers devaient porter deux paires de gants, car même une trace de transpiration ou une empreinte digitale pouvait contaminer et compromettre l’ensemble du projet. Le détecteur est situé dans un espace spécialement excavé à 750 mètres sous terre afin de le protéger des radiations ambiantes.
Lorsqu’un neutrino interagit avec le scintillateur liquide, il dépose l’énergie d’interaction dans les molécules de cette substance. L’émission lumineuse intense du scintillateur liquide (typiquement > 10 000 photons/MeV) garantit une détermination précise de l’énergie déposée. Il serait très avantageux de pouvoir également reconstituer la direction du neutrino incident. Dans ce cas, la faible mais directionnelle lumière Tcherenkov émise lors du passage initial du neutrino dans l’eau est utilisée pour fournir aux physiciens cette information.
L'objectif du développement en cours des scintillateurs liquides à Munich et Mayence est de séparer la lumière Tcherenkov, rapide mais faible, de la lumière de scintillation dominante afin de permettre une reconstruction énergétique et directionnelle simultanée. À cette fin, l'équipe du Dr Hans Steiger a conçu plusieurs expériences de précision sur table, avec une capacité de collecte de lumière et une résolution temporelle accrues.
« Nous avons choisi les cartes de numérisation Spectrum car elles offrent des performances de pointe et, contrairement aux solutions concurrentes, ne sont ni onéreuses ni fabriquées sur mesure », explique le Dr Hans Steiger, qui dirige le projet. « L'approche modulaire de Spectrum nous a permis de spécifier précisément les fonctionnalités requises, évitant ainsi les compromis et les dépenses inutiles. J'apprécie particulièrement le fait qu'il s'agisse d'un produit PCIe standard, ce qui nous permet d'étendre le système dans un boîtier d'ordinateur standard au fur et à mesure de l'obtention de financements supplémentaires. En tant qu'université impliquée dans de grands projets internationaux de longue durée, nous avons besoin de composants fiables, et la garantie de cinq ans de Spectrum nous apporte une grande tranquillité d'esprit. »
Numériseur PCIe M4i.2212-x8 de Spectrum Instrumentation avec une fréquence d'échantillonnage de 1,25 GS/s sur 4 canaux.
Les résultats de JUNO contribuent également à l'avancement de la recherche astronomique.
Outre le travail de reconstruction des événements, l'équipe participe à un projet d'étalonnage de JUNO. Celui-ci consiste à caractériser le matériau du détecteur à l'aide de sources radioactives de rayons gamma et de neutrons d'énergie et de directions d'incidence prédéterminées. « Nos caractérisations des scintillateurs liquides sont rendues possibles grâce aux cartes de numérisation ultrarapides qui nous permettent de travailler avec des intervalles de temps de l'ordre de la picoseconde. De plus, la plage dynamique de 5 V est bien supérieure à celle de ses concurrents, généralement de 1 V, ce qui signifie qu'elles peuvent facilement gérer les impulsions de 3 V de nos photomultiplicateurs », a souligné Meishu Lu, doctorante au sein du groupe de l'Université technique de Munich (TUM). Manuel Böhles, qui travaille à Mayence, ajoute : « Spectrum nous a été d'une aide précieuse pour trouver les meilleures solutions pour notre projet et pour résoudre tous les problèmes rencontrés grâce à un simple appel téléphonique avec l'un de leurs ingénieurs. C'est formidable qu'ils s'engagent à soutenir la recherche fondamentale dans de nombreuses universités comme la nôtre. »
Le schéma illustre la première impulsion du rayonnement Tcherenkov, suivie du signal de scintillation qui fournit l'information énergétique. Ce phénomène se produit en moins de deux nanosecondes. La combinaison de ces informations permet de déterminer le type de particule et son origine. Elle pourrait provenir d'un réacteur chinois, du Soleil, du noyau terrestre ou de l'espace profond. « Nous n'avions jamais été capables auparavant de localiser précisément l'origine d'un neutrino grâce aux détecteurs à scintillation, ce qui ouvre des perspectives de recherche entièrement nouvelles », explique le Dr Steiger. « Si, par exemple, une étoile en fin de vie, ou une supernova, émet de grandes quantités de neutrinos dans le ciel, nous pouvons désormais non seulement les observer, mais aussi reconstituer avec une grande précision le point du ciel où l'explosion s'est produite. En quelque sorte, nous disposons maintenant d'un télescope pour observer ces différentes sources de neutrinos et mieux comprendre les processus en jeu. » La détection de la lumière sur l'ensemble du spectre, des ondes gravitationnelles et désormais des neutrinos avec une statistique, une résolution énergétique et une directivité élevées marque le début d'une nouvelle ère pour l'astronomie multi-messagers.
