Méta-matériaux à base de fibres cristallines inorganiques pour les futurs détecteurs en physique des hautes énergies – INFINHI

Le projet INFINHI propose un nouveau concept de calorimètre à haute granularité basé sur l’utilisation de fibres monocristallines inorganiques ayant différentes fonctionnalités. Ces différents types de fibres, une fois assemblées forment ce que l’on nomme dans ce projet un « métacable ». Ce métacable est la brique élémentaire permettant la mise en œuvre d’un calorimètre de grande envergure, adapté aux futures expériences de physique des hautes énergies. Ce projet vise à valider ce concept.
Le principe consiste à élaborer par la technique « micropulling down » des fibres de matériaux de la famille des grenats (LuAG par exemple). Ces grenats présentent un bon pouvoir d’arrêt. Dopés avec l’ion cérium, ces matériaux donnent lieu à des propriétés de scintillation adaptées à ce type de détecteurs (haut rendement de scintillation, déclin rapide), alors que non dopées, seul l’effet Cherenkov est escompté. Ces deux types de fibres ont vocation à séparer les différents types de contribution des gerbes électromagnétiques créées lors des interactions. Ce concept permet de réunir au sein d’un même assemblage (le métacable) différentes fonctionnalités et d’obtenir ainsi un détecteur très homogène.
Le choix de la famille des grenats ainsi que de la technologie de croissance ont été guidés par la volonté d’anticiper la nécessité de valider un concept potentiellement industrialisable, paramètre primordiale dans le domaine des détecteurs pour les collisionneurs de particules à haute énergie. Après avoir ciblé la composition exacte, le protocole d’optimisation permettra d’aboutir à des fibres répondant au cahier des charge de l’utilisateur finale : le CERN, partenaire du projet INFINHI.
Dans le cadre du protocole d’optimisation des performances des ces matériaux au format atypique pour ce genre d’application, le projet propose une étude très approfondie des différents paramètres physico-chimiques gouvernant les propriétés optiques et de scintillation des fibres élaborées en lien étroit avec les paramètres de synthèse. L’étude fine des processus de scintillation, vitale pour une bonne compréhension des performances, est également une part importante de ce projet. Cette étude détaillée est assise sur un couplage étroit entre des expériences de spectroscopie résolue en temps sous excitation VUV et cathodique ainsi que des simulations numériques.
Le consortium implique également l’industriel FiberCryst dont le rôle est d’anticiper l’extension du concept à de gros volume de matériaux tout en préservant les performances issues de l’optimisation effectuée en laboratoire.
Enfin, le concept sera valider en condition réelle d’utilisation au CERN.

Les partenaires de ce projet ont des expertises très complémentaires et collaborent ensemble depuis plus de dix ans. Le LPCML, spécialisé dans les techniques de croissance cristalline de matériaux à vocation optique, ainsi que dans la spectroscopie de luminescence et de scintillation, coordonne ce projet. Le CELIA possède une expertise internationale dans la spectroscopie optique sous excitation laser VUV femtoseconde. FyberCryst, partenaire privé, est spécialisé dans la production de fibre monocristaline. Le CERN, partenaire international, est l’utilisateur final et possède l’expertise requise pour la mise en œuvre et les moyens pour la validation de tels détecteurs.