Forger les technologies de détection pour les expériences de demain
Le projet AIDAinnova(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), financé par l’UE, est le fruit d’une collaboration entre les principales installations de recherche et institutions universitaires d’Europe, qui travaillent ensemble pour repousser les limites de la technologie des détecteurs de particules. Avec la participation de 15 pays et du CERN, le projet s’appuie sur les réalisations d’une initiative antérieure, AIDA-2020. Tout en continuant à perfectionner les détecteurs destinés au Grand collisionneur de hadrons et d’autres collisionneurs, AIDAinnova s’est attaqué aux défis futurs, dont le développement d’une instrumentation avancée pour une éventuelle usine de Higgs(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), comme le FCC-ee récemment recommandé, contribuant ainsi à la recherche sur les neutrinos et renforçant son engagement auprès de l’industrie. «Nous avons innové dans les technologies de détection, notamment les détecteurs monolithiques et hybrides à pixels, calorimétriques, gazeux et cryogéniques, ainsi que dans l’électronique, la mécanique et les logiciels nécessaires aux expériences de physique des particules de nouvelle génération», souligne Paolo Giacomelli, coordinateur du projet.
Des capteurs avancés qui surpassent les limites de tolérance aux rayonnements
Une activité de recherche a consisté à déterminer si un nouveau type de capteur, les capteurs à pixels actifs monolithiques appauvris (DMAPS pour depleted monolithic active-pixel sensors), qui suivent les trajectoires des particules créées lors de collisions à haute énergie, pouvait répondre aux strictes exigences de performance des futurs capteurs de suivi des collisionneurs. Les recherches se sont concentrées sur leur capacité à gérer des rayonnements intenses et à fournir une résolution spatiale élevée. En utilisant la technologie CMOS avancée, l’équipe a construit et amélioré des prototypes DMAPS à petit pas. Les tests ont démontré une excellente efficacité de détection, une résolution spatiale précise et des performances stables à des niveaux de rayonnement extrêmes (supérieurs à 10^15 neq/cm2). Cette avancée majeure dépasse les limites antérieures de tolérance aux rayonnements, ce qui fait du DMAPS un candidat sérieux pour les futurs systèmes de suivi. Les travaux se poursuivent en vue de la mise à l’échelle, de l’optimisation et de l’intégration de ces capteurs dans des systèmes plus vastes.
Capteurs de suivi de haute précision dans l’espace et dans le temps
Le projet a également développé des capteurs à pixels actifs qui combinent une résolution spatiale extrêmement précise (quelques micromètres) avec une résolution temporelle ultra-rapide (quelques dizaines de picosecondes), des niveaux de précision essentiels pour reconstruire avec précision les trajectoires des particules. Ces capteurs sont combinés à l’électronique de lecture dans les détecteurs hybrides, qui traitent les signaux du capteur à haute résistivité chargé de détecter les particules. Les chercheurs ont travaillé sur des détecteurs hybrides, parce qu’ils sont pour l’instant la seule technologie capable de fournir ces niveaux de précision. L’équipe a perfectionné les diodes à avalanche à faible gain (LGAD pour low-gain avalanche diodes), présentes dans les capteurs à haute résistivité, pour amplifier les signaux des particules, et a amélioré les structures des pixels en 3D pour accroître la précision de la synchronisation. Elle a également développé de nouvelles méthodes d’interconnexion entre les LGAD et les capteurs à pixels actifs, telles que les films conducteurs anisotropes, les pâtes et le collage de plaquette à plaquette.
Une technologie durable de détection de gaz
Un autre axe majeur a été le développement de mélanges gazeux respectueux de l'environnement pour les futurs détecteurs de gaz, afin de remplacer les modèles actuels dont le fort potentiel de réchauffement et leurs composants fluorés nuisent à l'environnement. L’équipe a en outre collaboré avec l’industrie pour développer un nouveau type de détecteur gazeux à microstructure (DGMS). «Cela marque une importante étape dans le transfert de technologie du monde universitaire vers l’industrie et a des implications considérables: les futurs détecteurs de gaz à grande échelle, composés de mosaïques de DGMS similaires, pourraient être directement fabriqués par l’industrie. La technologie pourrait également être adaptée à d’autres domaines, tels que la sécurité intérieure et les soins de santé», souligne Paolo Giacomelli.
Repousser les limites de performance des détecteurs
AIDAInnova a également concentré ses efforts sur des idées à haut risque pour repenser la technologie des détecteurs, en privilégiant la validation expérimentale précoce plutôt que les améliorations progressives. Le développement de capteurs LGAD avancés, capables de maintenir des performances stables sous des niveaux de rayonnement extrêmes (jusqu'à 5×10^15 neq/cm2), a été un véritable succès. Il a permis d'étendre les capacités de synchronisation de précision à des niveaux de rayonnement auparavant jugés inaccessibles pour les capteurs au silicium à gain. «La création d'un système de lecture sans fil à haut débit utilisant des liaisons à 60 GHz, permettant une transmission de données de plusieurs gigabits avec une faible latence et des performances stables, a constitué une autre avancée majeure. Ces avancées surpassent la technologie actuelle et font actuellement l'objet de développements supplémentaires pour les futurs systèmes de détection», conclut Paolo Giacomelli.
