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Le scintillateur liquide à points quantiques : une révolution dans la détection des neutrinos
Des chercheurs du King’s College de Londres mettent au point un scintillateur à base d’eau composé de points quantiques pour la détection des neutrinos. Ce dispositif expérimental présente un échantillon de points quantiques en solution aqueuse, positionné devant un tube photomultiplicateur.
Un scintillateur non toxique et non inflammable
Les détecteurs de neutrinos contiennent généralement des dizaines de milliers de tonnes de scintillateur liquide qui émettent une lueur lumineuse à chaque interaction avec un neutrino. Traditionnellement, ces scintillateurs sont constitués de composés organiques dissous dans des solvants organiques, ce qui les rend toxiques et hautement inflammables. En revanche, le scintillateur liquide à base d’eau développé par l’équipe de KCL au Royaume-Uni est non toxique et non inflammable, offrant ainsi un environnement de travail moins dangereux et une option plus respectueuse de l’environnement.
Fonctionnement des points quantiques
Les points quantiques (QDs) sont de minuscules cristaux semi-conducteurs qui piègent les électrons et se comportent comme des atomes artificiels lorsqu’ils absorbent et émettent de la lumière. Le nouveau scintillateur utilise des QDs d’un diamètre de 6,4 nm, optimisés pour émettre des longueurs d’onde de lumière bleue, préférentiellement détectées par les capteurs de photons en physique des particules. Les chercheurs ont d’abord dissous ces QDs dans le solvant organique toluène avant de les mélanger avec de l’eau et un agent stabilisant constitué de molécules d’acide oléique.
Création d’une émulsion
Ce mélange a ensuite été agité pour créer une émulsion, semblable à celle que l’on obtient en secouant une bouteille de vinaigrette. Après repos, les phases aqueuse et huileuse se sont séparées, et la phase aqueuse contenant les QDs a été davantage diluée avec de l’eau pour atteindre la concentration adéquate pour détecter des particules comme les neutrinos.
Résultats prometteurs pour la détection des neutrinos
Dans leur récent article publié dans le Journal of Instrumentation, les chercheurs ont mesuré la lumière émise par un petit échantillon de leur scintillateur liquide alors que des rayons cosmiques (muons atmosphériques) le traversaient. Les résultats dévoilent un rendement de scintillation élevé, comparable à celui des scintillateurs existants. De plus, les spectres d’absorbance et d’émission sont restés stables sur une période de deux ans, une qualité essentielle pour les expériences sur les neutrinos, qui requièrent généralement plusieurs années pour recueillir des données.
Perspectives d’avenir
“Le potentiel de notre nouveau scintillateur est immense, car les points quantiques peuvent présenter différents types de noyaux et tailles, permettant ainsi de choisir une variété de spectres d’absorption et d’émission,” affirme Teppei Katori, co-responsable de l’étude. Actuellement, ses travaux incluent la conception de l’expérience internationale Hyper-Kamiokande, qui devrait débuter en 2027 au Japon.
Katori espère que dans 5 à 10 ans, ce nouveau scintillateur pourrait non seulement remplacer ceux utilisés dans les détecteurs de grande envergure pour la matière noire, les neutrons ou les neutrinos, mais également servir de base pour des capteurs de radiation génériques de taille bureau. Par ailleurs, il pourrait faciliter la surveillance du spectre des neutrinos à proximité du cœur des réacteurs dans les installations de puissance nucléaire, un spectre qui se modifie en cas d’extraction illégale de plutonium.
Avenir des points quantiques
Les chercheurs envisagent de « développer des méthodes de synthèse à grande échelle de QDs directement dans l’eau », précise Rakovich. Cette démarche inclura l’élimination du cadmium et d’autres éléments toxiques afin de réduire encore l’empreinte écologique. Ils prévoient également de procéder à des tests quantitatifs et à une optimisation de la stabilité, de la sécurité et des performances dans des échantillons de scintillateur de plus en plus grands, soumis à un bombardement de neutrinos sur des durées prolongées.
Un avis positif de la communauté scientifique
Alex Himmel, scientifique à Fermilab aux États-Unis et qui n’a pas participé à cette recherche, trouve ce nouveau scintillateur prometteur. “Depuis un certain temps, il existe un intérêt considérable pour la création de scintillateurs liquides à base d’eau, qui présentent des avantages en termes de sécurité et de coût,” explique Himmel, qui est co-représentant de l’expérience NOvA sur les neutrinos, utilisant actuellement un scintillateur liquide organique.
“La sécurité est toujours une préoccupation majeure lors de la construction d’expériences en physique des particules, tant pour des raisons évidentes de protection que parce que les matériaux potentiellement dangereux nécessitent généralement des mesures de sécurité coûteuses,” ajoute Himmel. “Si les matériaux eux-mêmes sont moins périlleux, la mise en place des expériences devient plus facile et moins coûteuse.”
Selon Himmel, les chercheurs de KCL “estiment 4000 photons par MeV à partir de leur échantillon de test,” notant que “notre expérience fonctionne aujourd’hui avec des rendements lumineux similaires.” Cependant, il prévient que pour que ce nouveau scintillateur liquide soit adopté par les utilisateurs finaux, il doit être “produit de manière rentable à grande échelle et afficher un rendement lumineux stable dans le temps.”