The scintillating fibre beam monitor for the CHNet-MAXI experiment at ISIS: characterisation of the light collection and detection system

Dans l'étude tranquille de l'histoire ancienne, le plomb est un conteur silencieux. Depuis des siècles, les artisans façonnent ce métal pour en faire tout, des tuyaux romains aux sculptures de la Renaissance, pourtant l'origine spécifique du minerai utilisé dans ces objets reste souvent un mystère. Les différentes formes stables des atomes de plomb, connues sous le nom d'isotopes, agissent comme une empreinte digitale chimique, révélant la mine où le métal a été extrait pour la première fois. Cependant, lire cette empreinte sans endommager l'artéfact précieux a longtemps été un défi. Une nouvelle approche, utilisant un faisceau de particules subatomiques appelées muons, offre un moyen de regarder à l'intérieur de ces objets de manière non destructive. Lorsqu'un muon est capturé par un atome de plomb, il déclenche une cascade d'énergie qui révèle l'identité de l'atome. Pour faire fonctionner cette technique, les scientifiques doivent d'abord maîtriser l'art de guider et de compter ces particules éphémères avec une précision extrême, garantissant que chaque mesure soit exacte et que chaque artéfact reste intact.

À la source de neutrons et de muons ISIS au Royaume-Uni, une équipe de chercheurs se prépare pour une expérience majeure appelée CHNet-MAXI, conçue pour percer les secrets du plomb dans le patrimoine culturel. Avant de pouvoir commencer leur travail sur les artéfacts anciens, ils ont dû construire et tester un outil spécialisé : un moniteur de faisceau. Ce dispositif agit comme une caméra à haute vitesse pour le faisceau de particules, traçant exactement où se trouvent les muons et combien passent à chaque instant. Le moniteur est construit à partir de deux couches plates de fibres plastiques, chaque fibre étant un minuscule tube carré de trois millimètres de large et dix centimètres de long. Ces fibres sont disposées en une grille, une couche mesurant la position horizontale et l'autre la position verticale. Lorsqu'une particule frappe une fibre, elle produit un flash de lumière, qui est ensuite capturé par des yeux électroniques sensibles appelés photomultiplicateurs de silicium. L'ensemble est un maillage délicat de soixante-quatre fibres, chacune connectée à son propre capteur électronique, le tout logé dans un boîtier imprimé en 3D sur mesure.

Les chercheurs savaient que pour que l'expérience réussisse, ce moniteur devait être parfait. Ils devaient comprendre exactement comment la lumière voyage à travers les fibres et comment les capteurs électroniques y répondent. Pour ce faire, ils se sont tournés vers de puissantes simulations informatiques. En créant un modèle virtuel du détecteur, ils pouvaient observer comment un faisceau de muons se comporterait en passant à travers les fibres. Les simulations ont montré qu'au niveau d'énergie spécifique choisi pour l'expérience, les muons traverseraient la première couche de fibres puis s'arrêteraient dans la seconde couche, déposant leur énergie de manière prévisible. Cette modélisation informatique était cruciale car elle a aidé l'équipe à calculer un facteur de correction, un ajustement mathématique nécessaire pour convertir les signaux électriques bruts en un compte précis de particules. Les simulations suggéraient que, comme les fibres sont très étroitement serrées, presque chaque muon heurterait au moins une fibre, ce qui signifie que le facteur de correction serait très proche de un, simplifiant considérablement les calculs finaux.

Avec la théorie en place, l'équipe a emmené le détecteur dans une installation différente en Italie, le centre CNAO, pour le tester avec un faisceau de protons. C'était une répétition générale utilisant un type de particule différent, mais qui leur permettait de vérifier le matériel et les systèmes de collecte de données. Ils ont tiré un faisceau de protons sur le détecteur et ont observé les résultats sur un écran. L'appareil a fonctionné, cartographiant avec succès la forme du faisceau et confirmant que l'électronique pouvait assurer la tâche. Cependant, les données initiales ont révélé un problème : la réponse n'était pas uniforme. Certaines fibres rapportaient un signal plus fort que d'autres, même lorsqu'elles étaient frappées par la même quantité d'énergie. Cette irrégularité aurait déformé les images finales des artéfacts anciens, faisant paraître certaines parties plus brillantes ou plus sombres qu'elles ne le sont réellement. L'équipe a réalisé qu'avant de pouvoir confier le dispositif à de vrais muons, elle devait équilibrer la sensibilité de chaque fibre individuelle.

Pour corriger cela, les chercheurs ont effectué un étalonnage minutieux à l'aide d'une source de rayons gamma. Ils ont placé une petite source radioactive au-dessus du détecteur et ont mesuré la production de lumière de chacune des soixante-quatre fibres. Comme la source émet un rayonnement selon un schéma prévisible, les chercheurs savaient exactement quelle quantité de lumière chaque fibre devrait produire en fonction de sa distance par rapport à la source. Ils ont comparé les mesures réelles par rapport à ce schéma attendu. Là où une fibre était trop sensible, ils ont appliqué un petit facteur de réduction ; là où elle était trop faible, ils ont appliqué un boost. Ce processus, connu sous le nom d'égalisation, a lissé les différences entre les canaux. Après l'ajustement, le détecteur produisait une image nette et uniforme du faisceau, sans points chauds ou froids artificiels. L'équipe a vérifié que cet étalonnage n'avait pas modifié la taille globale ou la position du faisceau, mais seulement la cohérence du signal sur la surface.

L'étape finale consiste à apporter le détecteur à l'installation ISIS, où il sera monté sur la ligne de faisceau pour l'expérience CHNet-MAXI. Le dispositif est désormais prêt à servir d'yeux à l'expérience, comptant chaque muon qui passe et garantissant que les données collectées à partir des échantillons de plomb anciens soient correctement normalisées. En sachant exactement combien de particules frappent l'échantillon, les scientifiques peuvent déterminer avec précision les rapports isotopiques sans jamais toucher l'artéfact. Le succès des tests et de l'étalonnage de ce moniteur à fibres scintillantes représente une étape cruciale. Il transforme un assemblage complexe de plastique et d'électronique en un instrument scientifique fiable, ouvrant la voie à une nouvelle ère d'analyse non destructive en archéologie. Le chemin parcouru, des simulations informatiques à l'étalonnage final, a permis de garantir que, lorsque le premier objet ancien sera scanné, les résultats seront aussi clairs et fidèles que l'histoire qu'ils sont censés révéler.