Des chercheurs ont conçu un détecteur pouvant capturer des images 3D, à très haute résolution et à grande vitesse, des particules au sein de grands volumes de matériaux. Baptisé PLATON, le détecteur s’appuie sur un réseau de microlentilles agissant comme de minuscules caméras qui reconstruisent les champs lumineux des particules. La technologie pourrait, à terme, permettre de capturer des particules à très faible interaction telles que les neutrinos.
Pouvoir suivre et imager les particules en 3D au sein de grands volumes de matériaux constitue l’un des principaux piliers des expériences en physique des particules. Ce processus de suivi s’effectue généralement par segmentation précise du matériau scintillateur (qui émet un flash lumineux au contact de particules ionisées) en de nombreuses unités actives plus petites.
Chacune de ces unités émet de la lumière visible lorsque des particules chargées la traversent. Cette lumière est ensuite reçue par des fibres optiques puis acheminée hors du scintillateur pour être imagée au niveau de tubes photomultiplicateurs, généralement à base de silicium.
L’expérience de détection de neutrinos T2K au Japon dispose par exemple d’un scintillateur d’environ deux tonnes, composé de près de deux millions d’unités et de 60 000 fibres optiques. Au CERN, l’expérience LHCb dispose d’une résolution spatiale submillimétrique grâce à des millions de fibres optiques scintillantes ultrafines.
Ces proportions montrent cependant que cette approche de segmentation des matériaux scintillateurs pourrait constituer une limite pour le suivi des particules au sein de plus grands volumes.
Dans une étude prépubliée dans la revue Nature Communications, une équipe de l’École polytechnique fédérale de Zurich (ETH Zurich) et l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) propose une nouvelle approche de détection des particules élémentaires dans de grands volumes de matériau scintillateur non segmenté.
Au cœur du dispositif : l’imagerie plénoptique
La technologie d’imagerie des chercheurs suisses est basée sur les caméras plénoptiques ou à champ lumineux, des caméras se distinguant des caméras conventionnelles par leur capacité à capturer l’information de profondeur du champ, notamment l’intensité lumineuse émanant d’un objet source et la direction d’incidence des rayons lumineux.
Cette particularité est conférée par un réseau de microlentilles disposé entre l’objectif et le capteur d’image. Chaque lentille du réseau agit comme une minuscule caméra permettant de reconstruire le champ lumineux, offrant ainsi une cartographie de l’intensité lumineuse avec des emplacements et des directions précis.
« Les caméras plénoptiques offrent un potentiel considérable pour l’imagerie et, associées à des capteurs à réseau de diodes à avalanche à photon unique (SPAD), permettent un suivi 3D haute résolution de particules élémentaires, même en conditions de faible luminosité », indique un billet de blog de l’ETH Zurich. Autrement dit, les SPAD permettent de suivre individuellement chaque photon, offrant ainsi un gain significatif de résolution photographique.
Le dispositif PLATON combine en effet un capteur d’imagerie à réseau SPAD et une caméra à champ lumineux avec un réseau de microlentilles intégré. Baptisé SwissSPAD2, le dispositif SPAD des chercheurs se distingue de ceux existants par un système de détection de photons à déclenchement temporel qui permet d’isoler les intervalles temporels où les signaux photoniques dominent le bruit parasite.
Vers l’imagerie des neutrinos
Afin d’évaluer les performances de PLATON, les chercheurs ont caractérisé sa résolution spatiale lorsqu’il a collecté des intensités lumineuses allant de quelques photons à plusieurs centaines. Le prototype a également été évalué sur sa capacité à détecter et à reconstruire la position des électrons au sein d’un bloc de scintillateur en plastique et à partir d’une source de strontium-90.
Résultat : dans tous les cas testés, les simulations présentent une correspondance notable avec les mesures effectuées en laboratoire. L’équipe a également effectué des modélisations des performances de PLATON pour la détection de neutrinos, notamment en simulant une version améliorée du système.
Les simulations intègrent aussi de nouvelles techniques de post-traitement d’images basées sur un réseau neuronal construit sur une architecture dite « transformeur », adaptée au traitement des données séquentielles. Le réseau neuronal proposé permettrait de capturer efficacement les corrélations entre les photons de scintillation détectés.
Les résultats ont suggéré qu’une résolution spatiale inférieure à 1 mm serait suffisante pour un système PLATON avec un volume de matériau non segmenté de (10 × 10 × 10) cm³, et que la sélection des interactions de neutrinos avec des protons de faible impulsion pourrait être effectuée avec un niveau de pureté et une efficacité élevés.
Les chercheurs suggèrent en outre que la technologie pourrait avoir des implications en dehors de la physique des particules en contribuant à améliorer les performances des technologies d’imagerie. L’équipe a déposé trois brevets distincts pour PLATON, incluant le concept de détection et les technologies de post-traitement d’images.
