Développement d'un détecteur PICOSEC-Micromegas pour ENUBET – PIMENT

Le projet ENUBET (Enhanced NeUtrino BEams from kaon Tagging) vise à construire un faisceau de neutrinos monitoré afin de réduire l'incertitude sur le flux et la section efficace des neutrinos à <1%. Face au taux élevé d'événements attendus dans ENUBET, la résolution temporelle du détecteur est essentielle pour la reconstruction et la diminution de l’empilement d’événements. Un échantillonnage des détecteurs sub-ns permettrait une corrélation un à un entre les positrons tagués dans la ligne de faisceau et les neutrinos tagués dans le détecteur lointain, transformant ENUBET en premier "faisceau de neutrinos tagués". Nous proposons un projet de R&D de 3 ans pour développer des nouveaux instruments de détection basés sur le concept PICOSEC-Micromegas et démontrer l'impact de ces détecteurs sur les recherches de Nouvelle Physique. L'exploitation éventuelle de la technologie PICOSEC-Micromegas sera étudiée pour le tagueur et les détecteurs de neutrinos de ENUBET.Cela concerne :
- un détecteur PICOSEC Micromegas intégré dans un calorimètre électromagnétique, avec précision temporelle(~10 ps)
- un détecteur PICOSEC Micromegas remplaçant le veto des photons sur ENUBET, servant comme une couche de timing (T0-layer) dans le tagger pour la détection des MIPs (<50ps)
- instrumentation de l'arrêt du faisceau (beam dump) pour monitorer les muons
- Photodétecteur Micromegas pour le tagging temporel dans le détecteur de neutrinos.

Le concept PICOSEC-Micromegas consiste en un détecteur Micromegas "à deux étages" couplé à un radiateur Cherenkov (MgF2), équipé d'une photocathode appropriée. Le gap de dérive est réduit à 200 µm tandis que le champ électrique appliqué dans cette région (>10 kV/cm) est suffisamment fort pour produire une multiplication des électrons. Cette configuration offre une large bande pour la production et la détection de la lumière Cherenkov dans le VUV. Les particules relativistes traversant le radiateur produisent des photons Cherenkov qui sont simultanément convertis en électrons sur la photocathode. Les résultats obtenus avec de petits prototypes donnent une résolution temporelle de 24 ps pour les muons relativistes et de 44 ps pour les photons UV individuels. Ces résultats ont démontré que les performances temporelles souhaitées peuvent être atteintes avec ce concept. Cependant, il y a plusieurs questions à régler, principalement le passage à l'échelle pour des détecteurs de grande surface, y compris le développement de l'électronique correspondante, et des photocathodes efficaces et robustes pour des applications dans des environnements à flux de particules élevés.

Afin de démontrer dans des faisceaux de particules les performances requises, nous développerons des prototypes modulaires (~10x10 cm2).Les principaux défis techniques à surmonter sont le choix d'une photocathode efficace et robuste ainsi que la production de panneaux Micromegas avec anode segmentée et planarité meilleure que 10 µm, en conservant une petite longueur de rayonnement. En parallèle, nous développerons l'électronique nécessaire pour tester et évaluer les prototypes.Les cartes frontales seront développées sur la base de l'optimisation d'un amplificateur prototype existant, déjà testé avec succès sur un détecteur prototype. La numérisation des signaux et le marquage temporel précis seront effectués par des cartes électroniques basées sur le circuit SAMPIC.

L'importance de la précision temporelle dans les expériences opérant sur les faisceaux de particules à haute luminosité est déjà largement reconnue, tandis que la reconstruction 4D des objets sera nécessaire pour les expériences dans les accélérateurs futures. Ce projet vise à aborder les points critiques pour le développement d'un détecteur de dimension adéquate, capable d'offrir la précision temporelle nécessaire. Le projet met en valeur les avantages du PICOSEC Micromegas pour l’identification de particules, mais aussi comme un couche de timing intégré dans un calorimètre.