Les physiciens ont développé une toute nouvelle caméra pour détecter les neutrinos et la matière noire

Nouvelle méthode d’enregistrement des particules élémentaires : de détecteurs encombrants à une seule caméra

Un groupe international de scientifiques dirigé par des physiciens suisses a présenté une méthode révolutionnaire pour détecter les neutrinos et la matière noire. Au lieu des systèmes massifs fragmentés en milliers de segments, ils ont utilisé une seule chambre de champ lumineux combinée à un photodetector ultra-sensible. Cette approche rend le détecteur simple et économique, ce qui pourrait accélérer la recherche des particules les plus insaisissables.

Détecteurs neutrinos traditionnels
Les installations modernes pour enregistrer les traces de désintégration des neutrinos sont d’énormes volumes de liquide ultra-pur, imprégnés de photodétecteurs (multiplicateurs photo). Les neutrinos n’interagissent pas directement avec la matière en raison de l’absence de charge et de leur faible masse, donc leurs « traces » ne sont visibles qu’après la désintégration des atomes dans le liquide. De tels détecteurs peuvent être artificiels (par exemple, dans de grands réservoirs) ou naturels – comme dans le lac Baïkal, en Antarctique ou au fond de la Méditerranée. Dans les deux cas, le volume est divisé en secteurs, ce qui entraîne l’utilisation de dizaines de milliers de capteurs.

Solutions compactes et leurs limites
Pour des expériences de laboratoire, on peut utiliser des détecteurs plus compacts, mais ils conservent néanmoins une structure sectorielle et un réseau de fibres optiques composé de dizaines de milliers de canaux. Cette densité permet de capturer les trajectoires de particules subatomiques avec une précision allant jusqu’à quelques centimètres en peu de temps. Un neutrino frappe un atome, le fragmentant en particules plus petites ; les traces de ces fractures reconstituent l’« auteur » de l’événement.

Nouvelle technologie PLATON
Les scientifiques d’ETH Zurich et EPFL ont développé le capteur PLATON, qui ne nécessite pas la segmentation du matériau scintillateur. À l’intérieur d’un seul volume, des traces de désintégration de neutrinos sont créées, puis enregistrées par des photons. Une seule caméra remplace des milliers de capteurs, tout en conservant – voire en améliorant – la capacité de résolution.

La caméra PLATON utilise une matrice de micro‑lentilles qui capture non seulement l’intensité lumineuse mais aussi sa direction. Cela permet de reconstituer la trajectoire tridimensionnelle d’une particule sans segmentation physique du détecteur. Des tests sur une source de strontium‑90 (électrons) ont confirmé l’efficacité de la méthode.

Résolution et mise à l’échelle
La modélisation montre que pour un scintillateur de 10 × 10 × 10 cm, le système atteint une résolution de piste inférieure à 1 mm. En augmentant jusqu’à un mètre cube (taille standard des expériences neutrinos), la précision reste dans les quelques millimètres – comparable aux meilleurs analogues mondiaux, mais avec une complexité de montage nettement réduite.

Un rôle clé dans le traitement d’images est joué par un réseau neuronal basé sur l’architecture Transformer, qui extrait efficacement les signaux utiles du « bruit » des photons scintillants.

Perspectives d’application
Les développeurs ont déjà déposé trois brevets pour l’utilisation de la technologie PLATON en tomographie par émission de positons (TEP). L’équipe s’attend à ce que les futures améliorations de conception permettent d’atteindre une résolution sub-millième pour des détecteurs d’un volume supérieur à un mètre cube – ouvrant ainsi de nouvelles possibilités tant dans la recherche de matière noire que dans les applications médicales.