Long-term performance of non-ALD MCP-PMTs in the high-radiation environment of ALICE

Au cœur de l'Europe, sous la frontière entre la France et la Suisse, une machine massive connue sous le nom de Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) fracasse des particules les unes contre les autres à des vitesses approchant celle de la lumière. Lorsque ces collisions se produisent, elles créent une gerbe de nouvelles particules qui s'envolent dans toutes les directions. Pour comprendre les blocs fondamentaux de l'univers, les scientifiques doivent capturer ces fragments éphémères et les mesurer avec une précision extrême. L'une des tâches les plus critiques est de déterminer exactement quand une collision a eu lieu. Si le minutage est décalé, ne serait-ce que d'une infime fraction de seconde, les données deviennent un flou, et l'histoire de la collision est perdue. Pour résoudre ce problème, l'expérience ALICE, l'un des principaux détecteurs du collisionneur, utilise un système spécialisé conçu pour agir comme un chronomètre à haute vitesse. Ce système repose sur un phénomène appelé effet Cherenkov, qui se produit lorsqu'une particule chargée se déplace à travers un matériau transparent plus vite que la lumière ne peut voyager à travers ce même matériau. Cela crée un faible flash bleu, semblable à un bang supersonique mais pour la lumière. En capturant ce flash avec des caméras sensibles, le détecteur peut horodater la collision avec une précision incroyable, de l'ordre de quelques billionsièmes de seconde.

Cependant, maintenir ces caméras en fonctionnement dans un environnement aussi violent est un défi de taille. La zone où les collisions se produisent est inondée de radiations et d'un flux incessant de particules. Les capteurs doivent être assez sensibles pour détecter un seul flash de lumière, tout en étant assez robustes pour survivre au bombardement de milliards de particules chaque seconde sans s'user. L'équipe d'ALICE a récemment fait rapport sur la performance à long terme des capteurs spécifiques qu'ils ont choisis pour cette tâche, connus sous le nom de tubes photomultiplicateurs à microcanaux. Ce sont des tubes à vide remplis de millions de minuscules canaux de verre qui amplifient un seul photon de lumière en un signal électrique mesurable. Les chercheurs ont constaté que, bien que ces capteurs se dégradent avec le temps en raison d'une utilisation intensive, ils peuvent être maintenus en fonctionnement efficace en ajustant leur tension de fonctionnement. Plus surprenant encore, ils ont découvert que les capteurs possèdent une capacité cachée à se guérir eux-mêmes lorsque la machine est éteinte pour la maintenance, regagnant ainsi une partie de leur sensibilité perdue sans aucune intervention humaine.

Le détecteur ALICE est équipé d'un sous-système appelé Fast Interaction Trigger, qui se situe très près du point de collision pour surveiller les tout premiers instants d'un crash. Ce système utilise cinquante-deux de ces capteurs de lumière spécialisés disposés en deux réseaux. Les capteurs les plus internes font face au trafic le plus intense, traitant une charge de photons équivalente à deux cents millions d'électrons photoélectriques par centimètre carré chaque seconde. Il s'agit d'un courant électrique énorme pour un dispositif aussi délicat. Pour gérer cela, l'équipe a sélectionné une version spécifique du capteur qui n'utilise pas un revêtement atomique spécial destiné à prolonger sa durée de vie, car ce revêtement aurait rendu le capteur trop faible pour supporter le courant élevé. Au lieu de cela, ils ont utilisé la version standard, acceptant qu'elle vieillisse plus vite, mais pariant qu'ils pourraient gérer l'usure par une opération prudente.

Au cours de plusieurs années d'exploitation, les chercheurs ont suivi les performances de ces capteurs sous le bombardement incessant. Ils ont surveillé la charge électrique totale qui passait à travers chaque capteur, une mesure de la quantité de travail effectuée par le dispositif. Au moment de leur rapport, les capteurs les plus utilisés avaient accumulé une charge de deux coulombs par centimètre carré. Comme prévu, les capteurs ont commencé à perdre en sensibilité ; les unités les plus usées ne produisaient plus qu'environ quarante pour cent du signal qu'elles produisaient autrefois. Cependant, l'équipe a trouvé un moyen simple de compenser cette perte. En augmentant progressivement la tension fournie aux capteurs, ils ont pu booster le signal pour qu'il retrouve sa force d'origine. Crucialement, cet ajustement n'a pas ruiné la précision du minutage. Même avec des capteurs vieillis et fonctionnant à des tensions plus élevées, le système a maintenu sa capacité à distinguer les collisions avec une résolution temporelle d'environ dix-sept picosecondes pour les collisions de protons, et encore meilleure pour les collisions d'ions de plomb plus lourds. Cela a prouvé que les capteurs pouvaient survivre à l'environnement rude de la région avant du détecteur, à condition que l'équipe soit prête à ajuster les paramètres de puissance à mesure que les dispositages s'usent.

L'étude a également révélé que tous les capteurs ne vieillissent pas au même rythme. Alors que la plupart des capteurs également illuminés se dégradaient à une vitesse presque identique, deux unités spécifiques s'usaient beaucoup plus vite que les autres. Les chercheurs ont retracé cela jusqu'au début de l'expérience, découvrant que ces deux unités à vieillissement rapide étaient déjà les capteurs les plus bruyants avant même d'être allumés. Cela suggère que la qualité initiale du capteur, spécifiquement son niveau de bruit de fond, est un prédicteur fort de sa longévité sous une utilisation intensive. Cette découverte aide les scientifiques à comprendre que, bien que l'environnement soit rude, les caractéristiques intrinsèques de chaque composant jouent un rôle majeur dans leur survie.

La découverte la plus intrigante est peut-être survenue lors des longues périodes où le collisionneur était arrêté pour la maintenance technique. Les chercheurs ont remarqué que lorsque les capteurs étaient laissés dans l'obscurité pendant des mois, ils ne restaient pas simplement inactifs ; ils s'amélioraient en réalité. Durant ces pauses prolongées, les capteurs vieillis ont récupéré spontanément environ huit pour cent de leur sensibilité perdue. Cette auto-récupération s'est produite sans aucun changement de l'équipement ou de l'environnement, lequel est resté à une température constante. Les capteurs qui n'avaient pas vieilli de manière significative n'ont montré aucune récupération de ce type, indiquant que le processus de guérison est spécifiquement lié à l'usure que les capteurs ont endurée. L'équipe a observé ce schéma de manière cohérente lors de deux arrêts distincts, chacun durant environ 160 jours. Bien que le mécanisme physique exact derrière cette récupération reste un mystère, l'effet est réel et mesurable. Cela suggère que les dommages causés par le courant élevé ne sont pas entièrement permanents et que le matériau à l'intérieur du capteur peut partiellement se réparer lorsqu'on lui accorde du repos.

Ce travail marque la première utilisation à grande échelle de ces capteurs spécifiques dans une expérience de physique des hautes énergies. Les résultats montrent qu'en choisissant le bon type de capteur et en gérant les conditions de fonctionnement, il est possible de faire fonctionner un détecteur de minutage à haute vitesse dans l'un des environnements les plus chargés en radiations au monde. L'équipe a démontré que même avec un vieillissement important, le détecteur peut maintenir la précision temporelle nécessaire pour étudier les plus petites particules de l'univers. La découverte de l'effet d'auto-récupération ajoute une nouvelle couche d'espoir quant à la longévité de ces dispositifs, suggérant que l'usure du collisionneur pourrait être moins permanente que ce que l'on pensait auparavant. Tandis que l'expérience se poursuit, les chercheurs prévoient d'extraire les capteurs les plus usés à la fin de la session actuelle pour les étudier en détail, espérant enfin percer le secret de leur capacité à rebondir. D'ici là, les détecteurs continuent de battre la mesure, capturant les moments éphémères des collisions cosmiques avec une résilience remarquable.