Scintillateur

Un scintillateur est une substance qui s'illumine lorsqu'une particule chargée la traverse. Il est, à côté du rayonnement Tcherenkov, le second grand principe de détection de la physique des neutrinos — et il se charge de tout ce qui est trop discret pour engendrer un cône de lumière.

Comment naît la lueur

Une particule chargée qui passe arrache des électrons à leurs liaisons et porte des molécules dans des états excités. Cette excitation ne dure que des nanosecondes. En retombant, la molécule restitue l'énergie sous forme d'un éclair de lumière.

Dans les scintillateurs organiques, cela se produit en deux étapes. Le solvant absorbe l'énergie et la transmet à une substance luminescente dissoute, qui émet de la lumière ultraviolette. Un second additif, le décaleur de longueur d'onde, la convertit en lumière bleue — car ce n'est qu'à celle-ci que les photomultiplicateurs sont sensibles, et seule la lumière bleue traverse vingt mètres de liquide sans être absorbée.

Un scintillateur liquide moderne se compose donc de trois constituants : le solvant, le plus souvent de l'alkylbenzène linéaire, plus quelques grammes de PPO par litre et quelques milligrammes d'un décaleur.

L'avantage décisif

La différence avec le rayonnement Tcherenkov tient à un chiffre. Un scintillateur fournit par mégaélectronvolt environ dix mille photons ; un détecteur à eau n'arrive qu'à quelques centaines.

De ce rendement lumineux cinquante fois supérieur découle tout le reste. L'énergie se laisse déterminer beaucoup plus précisément, et surtout le seuil de détection baisse considérablement : des événements de quelques centaines de kiloélectronvolts deviennent visibles.

C'est précisément là-dessus que reposait le succès de Borexino, qui a compté pour la première fois en temps réel des neutrinos solaires de basse énergie — chose qui n'aurait pas été possible avec de l'eau.

Le prix à payer : la lumière est émise uniformément dans toutes les directions. La direction de la particule est perdue. Un détecteur à eau comme Super-Kamiokande peut dire d'où venait un neutrino ; un détecteur à scintillateur ne le peut pas.

Le double signal

Le second grand atout est la résolution temporelle. Un scintillateur répond en l'espace de quelques nanosecondes, et cela permet une signature que Clyde Cowan et Frederick Reines ont inventée en 1956 et qui porte aujourd'hui encore toute mesure auprès d'un réacteur.

Lors de la désintégration bêta inverse, un antineutrino frappe un proton et engendre un positon et un neutron. Le positon s'annihile aussitôt — premier éclair. Le neutron erre quelques microsecondes jusqu'à ce qu'il soit capturé — second éclair.

Deux éclairs séparés par le bon intervalle de temps sont pratiquement impossibles à confondre. C'est pourquoi KamLAND, Daya Bay et JUNO travaillent tous avec un scintillateur.

Scintillateurs solides

À côté des liquides, il existe des variantes cristallines et plastiques.

Les cristaux comme l'iodure de sodium ou l'iodure de césium, dopés chacun au thallium, fournissent encore plus de lumière et une meilleure résolution en énergie. Ils sont toutefois coûteux, sensibles à l'humidité et impossibles à obtenir en grandes quantités.

Les scintillateurs plastiques se laissent couler dans n'importe quelle forme et sont bon marché. Ils se tiennent en couches entre des plaques d'acier, par exemple chez MINOS, où l'on compte moins sur la résolution en énergie que sur la masse et la position des traces.

La pureté comme limite

Aux basses énergies, la radioactivité naturelle du détecteur lui-même devient l'adversaire. Chaque gramme de matériau contient des traces d'uranium, de thorium et de potassium — sans danger dans la vie courante, dévastatrices ici.

Borexino a atteint pour cette raison une pureté d'environ un atome d'uranium pour 10¹⁸ atomes du scintillateur et fut ainsi l'endroit le plus propre du monde. La mise au point de ces procédés de purification a duré plus longtemps que la construction de l'installation — et elle est la raison pour laquelle JUNO peut seulement envisager la même pureté dans un volume soixante-dix fois plus grand.

Analyse de forme d'impulsion

Un dernier tour de main : la forme de l'éclair lumineux trahit le type de particule. Une particule alpha engendre une impulsion dont la traîne dure un peu plus longtemps que celle d'un électron, parce qu'elle dépose l'énergie plus densément.

On peut ainsi séparer les événements de bruit de fond issus de désintégrations radioactives des véritables événements neutrino — sans matériel supplémentaire, uniquement à partir de la forme temporelle du signal.

Notions liées

• Rayonnement Tcherenkov — l'autre principe de détection
• Borexino — la référence en matière de pureté
• JUNO — la même technique à la plus grande échelle
• Expérience de Cowan et Reines — le double signal

Sources

• Collaboration Borexino : The Borexino detector at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Nuclear Instruments and Methods A 600, 568 (2009).
• Collaboration JUNO : JUNO Physics and Detector, Progress in Particle and Nuclear Physics 123, 103927 (2022).