Measurements of the neutron background for the Colorado Underground Research Institute (CURIE)
Cet article présente les premières mesures directes du bruit de fond neutronique radiogénique et induit par les muons au sein de l'institut de recherche sous terre de faible profondeur Colorado Underground Research Institute (CURIE), caractérisant le flux neutronique local afin de fournir une contribution quantitative essentielle à la planification de futures expériences à faible bruit de fond.
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Profondément sous la surface de la Terre, cachés à l'intérieur de la roche solide, des scientifiques construisent des laboratoires pour traquer les secrets les plus insaisissables de l'univers. Ces expériences recherchent des événements rares, tels que des particules qui pourraient constituer la matière noire ou la désintégration mystérieuse de noyaux atomiques qui pourrait expliquer pourquoi l'univers existe. Pour percevoir ces signaux ténus, les expériences doivent être protégées de la pluie constante de rayons cosmiques — des particules de haute énergie provenant de l'espace qui bombardent l'atmosphère terrestre et créent un bruit de fond radiatif. Bien que d'épaisses couches de roche soient excellentes pour arrêter la majeure partie de ce rayonnement, elles ne peuvent pas tout arrêter. Un type spécifique de rayonnement, le neutron, est particulièrement problématique car il peut s'infiltrer à travers les blindages lourds et imiter les signaux mêmes que les scientifiques tentent de trouver. Comprendre exactement combien de ces neutrons sont présents dans un lieu souterrain spécifique est donc crucial ; sans cette connaissance, les chercheurs ne peuvent pas distinguer une véritable découverte d' une fausse alerte causée par l'environnement lui-même.
Une équipe de chercheurs a récemment effectué les premières mesures directes de ce fond de neutrons à l'Institut de Recherche Sous Terre du Colorado, une installation située dans une ancienne mine à Idaho Springs, dans le Colorado. Ce site se trouve sous environ 400 mètres de roche, ce qui est assez profond pour bloquer la plupart des rayons cosmiques mais assez peu profond pour être accessible aux tests de nouvelles technologies de détection. Les scientifiques ont été confrontés à un double défi : l'environnement souterrain est rempli de deux types de neutrons très différents. Le premier type provient de la radioactivité naturelle de la roche elle-même, qui émet constamment des neutrons de faible énergie. Le second type est créé lorsque les quelques rayons cosmiques restants qui pénètrent la roche percutent les atomes de la roche, créant ainsi des neutrons de haute énergie. Parce que ces deux types se comportent différemment et nécessitent des outils différents pour les capturer, l'équipe a utilisé deux détecteurs distincts pour cartographier le paysage invisible de la mine.
Pour mesurer les neutrons de faible énergie produits par la roche, l'équipe a déployé un dispositif conçu sur mesure appelé spectromètre à cylindres de Bonner. Cet instrument consiste en un tube central rempli de gaz hélium, entouré de six cylindres de tailles différentes fabriqués à partir d'un plastique dense qui agit comme un modérateur, ralentissant les neutrons rapides afin qu'ils puissent être détectés. En plaçant le détecteur dans diverses orientations et en utilisant différentes épaisseurs de plastique, les chercheurs ont pu compter combien de neutrons arrivaient à différents niveaux d'énergie. Ils ont soigneusement étalonné leur équipement à l'aide d'une source de neutrons connue et ont simulé le comportement du détecteur sur ordinateur pour s'assurer de l'exactitude de leurs comptages. Les résultats ont révélé un flux total de neutrons de faible énergie qui est dominé par la radioactivité naturelle de la roche environnante. Dans cet environnement, les neutrons d'énergies intermédiaires — ceux qui ont été ralentis mais pas encore arrêtés — constituent la majorité du bruit de fond, représentant plus de la moitié du compte total. Cette découverte confirme que pour les expériences à cette profondeur, la géologie locale est la source principale de bruit de faible énergie.
Pour les neutrons de haute énergie créés par les rayons cosmiques, l'équipe est passée à un autre outil : un réservoir de scintillateur liquide organique. Ce détecteur fonctionne en capturant l'éclat de lumière produit lorsqu'un neutron rapide percute un atome à l'intérieur du liquide. Comme ces éclats diffèrent légèrement selon qu'ils ont été causés par un neutron ou par d'autres rayonnements communs comme les rayons gamma, les chercheurs ont utilisé une technique appelée discrimination par forme d'impulsion pour les séparer. Ils ont fait fonctionner ce détecteur pendant plus de 1 400 heures, attendant patiemment les rares événements de haute énergie. Après avoir filtré le bruit de fond et corrigé l'efficacité du détecteur, ils ont identifié 55 candidats neutrons. Ce décompte se traduit par un flux spécifique de neutrons de haute énergie pénétrant dans la caverne depuis la limite de la roche. Lorsqu'ils ont comparé ce nombre mesuré aux simulations informatiques précédentes du même site, ils ont constaté que la mesure réelle était environ 12 % plus élevée que la prédiction, bien que restant largement dans la marge d'incertitude. Cela suggère que, si les modèles sont généralement précis, il reste encore de la place pour affiner la manière dont nous calculons ces fonds de haute énergie.
En combinant ces deux mesures, les chercheurs ont créé un tableau complet de l'environnement neutronique de l'Institut de Recherche Sous Terre du Colorado. Ils ont montré que le bruit de fond est un mélange d'un bourdonnement constant de faible énergie provenant de la roche et d'un filet de particules de haute énergie, beaucoup plus calme mais plus pénétrant, provenant de l'espace. Ces chiffres ne sont pas de simples points de données abstraits ; ils fournissent la ligne de base essentielle dont les futures expériences auront besoin pour concevoir leur blindage et interpréter leurs résultats. Sans savoir exactement combien de neutrons sont présents et quelles énergies ils transportent, les scientifiques ne peuvent pas être certains qu'un signal détecté soit une nouvelle particule ou simplement le bavardage familier de la Terre elle-même. Ce travail garantit que la prochaine génération d'expériences dans cette mine, et d'autres comme elle, sera bâtie sur un fondement de réalité mesurée et précise plutôt que sur de simples estimations théoriques.
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