Un groupe d’ELI-NP (Extreme Light Infrastructure Nuclear Physics), un centre de recherche situé en Roumanie qui étudie les frontières de la physique nucléaire à travers l’utilisation de laser d’extrême intensitéa produit un faisceau laser (considéré comme l’un des le plus puissant du monde) pour créer un faisceau de particules et je l’ai fait passer par un Mur en béton de 2 mètres. Le détecteur placé après le mur de béton a détecté l’image de une ombre projetée par une cible placé après le mur, constitué d’un bloc de plomb.
L’équipe a ainsi démontré qu’à l’aide d’un laser très puissant il est possible de produire particules qui voient à travers des objets épais. Les particules en question sont moi muonsparticules élémentaires similaires à électrons mais à propos 200 fois plus lourd. Traverser mètres de bétonroches ou encore métaux, les muons sont considérés comme les particules idéales. L’équipe a prouvé qu’elle pouvait livrer une image faite de muons à partir uniquement d’une source laser, sans utiliser l’une des grosses accélérateurs de particuleset les circulaires traditionnelles (comme le Grand collisionneur de hadrons (LHC) à Genève).
Cette technique muographique (c’est-à-dire la possibilité de faire une radiographie mais utilisant des muons) présente d’énormes avantages par rapport aux techniques utilisant d’autres sources de particules. Par exemple, un rayonnement tel que je Rayons X (utilisé dans les radiographies médicales courantes) ils sont absorbés à partir d’épaisseurs importantes et denses, tandis que les muons perdent progressivement de l’énergie et peuvent traverser de grandes structures ou des matériaux denses tels que le plomb et l’acier.
Là muographie fait avec des muons provenant de rayons cosmiques (flux de particules subatomiques de très haute énergie provenant de l’espace profond et bombardant continuellement la Terre) a déjà été utilisé pour explorez l’intérieur des pyramides et des volcansmais le problème c’est que ces particules naturelles arrivent de l’espace un par minute et par centimètre carréet générer des images détaillées de cette manière est très lent et à faible résolution.
UN faisceau de muons artificiel au lieu de cela, cela rendrait cette technique réalisable dans des zones impossibles à obtenir avec des sources de muons naturelles ou traditionnelles. Par exemple dans le domaine de contrôles douaniers ou sécurité militairefaire des dieux vérifie vite à l’intérieur de conteneurs dans des ports navals ou dans des structures dont les parois sont composées de matériaux lourds pouvant contenir matière radioactive. Le but de l’équipe de recherche était en effet d’essayer de produire précisément, à la demande, un faisceau de muons pour réaliser de l’imagerie. plus rapide et plus contrôlable.
Des images de ce type avaient déjà été réalisées dans des accélérateurs de particules, mais le facteur déterminant Ce que les chercheurs de l’ELI-NP ont réalisé était d’obtenir une image entièrement composée de muons et que le faisceau de particules était rapide à générer Et potentiellement transportable.
Les innombrables applications de la technique muographique
Les muons sont généralement produits à l’intérieur d’accélérateurs de particules, mais ces installations sont énormes et ne sont en revanche pas utilisées à des fins d’applications commerciales. Par conséquent, si vous souhaitez réaliser une muographie, vous devez amener l’objet (comme un conteneur ou une grande structure en béton) là où se trouve l’accélérateur. Un système portable et transportable il permettrait plutôt des inspections muographiques sur place des infrastructures critiques ou dans les endroits où une intervention est requise.
La muographie aux rayons cosmiques a déjà donné des résultats notables dans le passé. Par exemple, elle a révélé un grand vide à l’intérieur du Pyramide de Khéopsde plus de 30 mètres de long, puis un couloir d’environ 9 mètres en face nord, pièces dans lesquelles il se trouvait impossible d’accéder physiquement. Un autre cas était celui de Centrale nucléaire de Fukushima après l’incident de 2011, au cours duquel deux détecteurs de muons ont été utilisés. Les détecteurs n’ont trouvé aucune trace du combustible à l’intérieur du cœur du réacteur, ce qui a permis de conclure qu’il avait fondu et s’était déposé au fond de la structure. Ces informations ont été obtenues sans que les opérateurs aient à saisir un lieu inaccessible et hautement radioactif comme l’intérieur d’un réacteur nucléaire.
Mais produire artificiellement des muons permettrait de étendre le champ d’application à un nombre de cas beaucoup plus diversifié, comme par exemple inspections des matériaux caché dans conteneurs blindés (pour cacher, par exemple, des matières radioactives à usage militaire) ou dans conteneurs navals. En effet, dans les ports et aux frontières seulement un petit pourcentage des conteneurs est minutieusement inspecté, et un faisceau à la demande accélérerait l’analyse et pourrait être effectuée en quelques minutes, par ex. inspecter les conteneurs blindés sans les ouvrir. Une source artificielle de muons offrirait également la possibilité de vérifie la direction à travers lequel observer, produisant une image 3D de la cible, et aurait une fréquence d’observation et une résolution beaucoup plus élevées qu’une source naturelle telle que les rayons cosmiques.
L’expérience qui permet de voir au-delà des murs
Pour créer des muons, il en faut beaucoup énergie concentrée en très peu de temps. En fait, les chercheurs de l’ELI-NP ont utilisé un laser de 10 pétawattsdénommé le plus puissant du monde. Le pétawatt (en abrégé PW) correspond à un million de milliards de watts. Mais cette puissance est si élevée parce que l’énergie laser est délivrée en un temps très court, environ 23 femtosecondesou égal à un millionième de milliardième de seconde.
A titre de comparaison, l’énergie émise par le laser de l’ELI-NP correspondrait à l’énergie émise par un Ampoule de 60 watts allumée pendant environ quatre secondes. La puissance est cependant énorme car toute cette énergie est compressée en un temps très court, de l’ordre de la femtoseconde. Ainsi, pendant un instant, le laser fournit plus que 1 000 fois la puissance des réseaux électriques mondiaux réunis (encore une fois à titre de comparaison, le capacité électrique mondiale la moyenne est d’environ 10 térawattsc’est-à-dire un billion de watts).
Pour produire des muons, les chercheurs ont utilisé ce laser pour frapper un gaz qui libère des électrons et les accélère à de très hautes énergies. Les électrons entrent en collision avec une cible en plomb et émettent des photons qui, entrant en collision avec d’autres noyaux en plomb, produisent finalement des muons.
Cependant, le faisceau contient également de nombreuses autres particules qui doivent être protégées. Pour sélectionnez uniquement la source souhaitée (c’est-à-dire le faisceau de muons) et filtrer d’autres particules qui auraient compromis et sali leurs images de muons, l’équipe de recherche a utilisé, après des mois de simulations et d’expériences, un grand cube en plastique et paraffine.
Enfin, dans l’expérience, le faisceau filtré traverse un mur de béton de 2 mètres d’épaisseur et atteint les détecteurs transportés à l’intérieur d’une camionnette garée de l’autre côté. Entre le mur et la camionnette se trouvait un tas de blocs de plomb dont on obtenait l’ombre. Il ne s’agit pas d’une véritable ombre, car moins de muons arrivent derrière le plomb, et donc les détecteurs enregistrent moins de signaux dans cette zone. Cependant, la diminution était telle qu’elle garantissait que l’image formée était cohérente avec la taille et la forme de la cible utilisée.
Le but de cette expérience était de démontrer que la muographie artificielle pouvait devenir réalisable et rapide. L’objectif est cependant encore loin, car le laser ELI-NP est encore un système gigantesque et très difficile à transporterqui se déclenche au maximum une fois par minute. Le succès de cette technique dépend donc développement de lasers plus compacts et avec un taux de redoublement plus élevé.