La pratique rend parfait (détecteurs de particules)

Une fois terminée, l'expérience de neutrinos souterrains profonds, ou DUNE, sera l'expérience de neutrinos la plus complète au monde – et l'installation du détecteur lointain géant pour DUNE dans une caverne située à un kilomètre sous terre sera comme le plus grand jeu d'opérations au monde.

DUNE sera composé de deux détecteurs : un détecteur de proximité plus petit, qui sera situé au Fermi National Accelerator Laboratory du Département américain de l'énergie, dans l'Illinois ; et un détecteur lointain plus grand, qui sera situé au centre de recherche souterrain de Sanford, ou SURF, dans le Dakota du Sud.

Le détecteur lointain est conçu pour être composé de quatre modules, dont deux en construction et deux encore en projet, chacun ayant les dimensions d'un bâtiment de près de six étages et la longueur d'un terrain de football. Un module sera composé de 25 rangées de détecteurs de neutrinos plus petits appelés assemblages de plans d'anodes (APA), certains des composants les plus fragiles de l'expérience.

Le détecteur lointain DUNE de SURF étant assemblé dans une caverne souterraine, il n'y a pas beaucoup de marge de manœuvre pour travailler. Les techniciens installant la dernière rangée d'APA seront adossés à un mur et n'auront que quelques mètres pour opérer en toute sécurité ; une fois qu'ils auront installé l'élévateur à ciseaux, il y aura juste assez de place pour qu'un humain puisse marcher entre celui-ci et les APA. Une fois qu'ils auront terminé, ils devront revenir en force, emportant avec eux tous les outils et instruments qu'ils ont apportés.

Pour terminer le détecteur, « nous travaillons avec quelques centimètres de trop », explique Tom Wieber, directeur d'un autre laboratoire souterrain, NOvA Far Detector Facility à Ash River, Minnesota.

Wieber connaît bien les contraintes, car il joue un rôle essentiel dans la préparation de l'installation finale.

NOvA est également une expérience neutrino à longue distance. Il se compose d'un détecteur lointain à Ash River et d'un détecteur proche au Fermilab. Un faisceau de neutrinos provenant du Laboratoire Fermi est envoyé à travers les deux détecteurs.

Une fois NOvA assemblé, l'installation d'Ash River disposait de suffisamment d'espace en hauteur pour créer une zone d'assemblage d'essai pour DUNE ; c'est le seul endroit où il existe deux prototypes d'APA avec lesquels les techniciens peuvent s'entraîner à travailler.

Le prototypage est une étape indispensable dans le développement de grandes expériences de physique des particules. Qu'il s'agisse de tester les composants pour confirmer qu'ils fonctionneront dans des conditions expérimentales ou de répéter le transport et l'assemblage des pièces, les collaborations en physique des particules mettent tout en œuvre pour garantir que l'expérience se déroulera comme prévu.

De nombreux composants de DUNE utilisent des outils spécialement développés que Wieber et son équipe fabriquent en interne, sur la base de dessins de conception et de listes de matériaux. Ils testent ensuite les outils sur leur prototype DUNE.

« Nous avons derrière nous d'excellents ingénieurs qui conçoivent les outils et les accessoires de telle manière qu'il nous suffit de découvrir comment les utiliser en toute sécurité », explique Wieber. « Genre, sont-ils trop lourds ? Avons-nous besoin d’un autre outil d’aide pour faciliter l’installation ou le retrait ? Quel genre de choses faut-il mettre sur les longes pour qu'elles ne tombent pas ? À tout moment lorsque vous l'utilisez, est-il impossible de l'utiliser sans trois mains ? »

Lorsqu'elle rencontre un problème, l'équipe de Wieber en informe les ingénieurs et propose des solutions potentielles. Ensuite, la conception est révisée et le processus recommence.

"Je peux probablement compter sur une main combien de widgets, d'outils et d'appareils de la première version n'ont pas subi de modification après avoir été testés - certains simples, d'autres totalement retravaillés", explique Wieber.

« Toutes les leçons apprises sont précieuses », dit-il. « Tout ce qui a été difficile, qui a pris du temps, peu importe, doit être enregistré. Parce que nous construisons un prototype, et s'il y a un problème… il doit être documenté afin que lorsque nous allons étendre cette chose à des kilotonnes, [le problème] ne s'aggrave pas.

La configuration d'Ash River est suffisamment polyvalente pour que Wieber et son équipe puissent tester plusieurs choses à la fois. Par exemple, ils installent leurs deux APA dans des orientations différentes pour tester la longueur des câbles. Simultanément, ils testent la « courbure » d’un avion cathodique, pour voir s’il se redressera après avoir été maintenu en forme de croissant de lune.