Le projet XEMIS (XEnon Medical Imaging System), initié à Subatech en 2004 a pour objectif de développer une caméra Compton au xénon liquide pour l'imagerie médicale.
Une nouvelle technique d’imagerie appelée imagerie à 3 photons gamma dont le principe est illustrée sur la figure ci-dessous, a été proposée par notre équipe au Laboratoire SUBATECH. Elle repose sur la reconstruction directe en 3D de la position d'émetteurs radioactifs particuliers comme le
Scandium-44, émetteur (β+,γ). Celui-ci est en effet un excellent candidat pour cette imagerie nécessitant un radiotraceur émettant quasi-simultanément un positron et un photon gamma. Les deux gammas issus de l’annihilation du positron avec la matière sont détectés en coïncidence, comme en tomographie par émission de positrons (TEP). La direction du troisième photon gamma est reconstruite sous la forme d'un cõne à l’aide d’un télescope Compton au xénon liquide. En croisant les deux informations il est alors possible d'inférer la position du point d’émission désintégration par désintégration, ce qui est actuellement impossible avec les techniques d’imagerie nucléaire actuelles. Basé sur ce concept, un prototype de télescope Compton au xénon liquide de petite dimension (XEMIS1) a vu le jour à SUBATECH. Il a permis de démontrer la faisabilité du concept de l'imagerie à 3 photons en vue d'une application future pour l'homme. En parallèle des développements instrumentaux menés à SUBATECH, des travaux de recherche sur un nouveau radiopharmaceutique marqué avec du Scandium-44 s’effectuent notamment au niveau local en collaboration avec les équipes du cyclotron ARRONAX, de l'INSERM et du CHU de Nantes.
Telescope Compton au xénon liquide (XEMIS1)
Depuis les années 70, le xénon liquide fait l’objet de développements directement liés à l’imagerie médicale fonctionnelle nucléaire. Deux grands axes de recherche autour du xénon liquide ont vu le jour. Le premier allie la détection de la lumière de scintillation et des électrons d’ionisation. Le signal d'ionisation est utilisé pour déterminer la position en 3D et l’énergie de chacune des interactions, la lumière sert à mesurer le temps de dérive des porteurs de charge (les électrons). Le second type de détecteurs utilise uniquement la lumière de scintillation pour déterminer l’énergie et la position des interactions. Le xénon liquide possède un numéro atomique élevé (54) et une forte densité (3 g/cm3), ce qui lui confère un fort pouvoir d’arrêt des particules ionisantes. Son utilisation sous sa forme liquide est néanmoins contrainte par sa température de liquéfaction de 165 K sous 1 bar. Le xénon liquide possède par ailleurs un excellent rendement d'ionisation et de scintillation, ce qui le rend particulièrement intéressant pour la détection des photons gamma dans le domaine d'énergie de quelques dizaines de keV jusqu'à quelques MeV.
La figure ci-contre montre de manière schématique la structure et le fonctionnement de la chambre à projection temporelle (TPC) au xénon liquide qui est opérationnelle dans notre dispositif expérimental (XEMIS1). La profondeur du volume actif de xénon est de 6 cm afin d’assurer une efficacité intrinsèque de détection des gamma d'énergie proche du MeV suffisamment élevée. Lorsqu’un gamma interagit dans le xénon liquide, il y a création simultanément d’un signal de scintillation et d’un signal d’ionisation à chaque interaction. Les photons de scintillation UV sont détectés par un photomultiplicateur (PM). Le signal de scintillation est unique pour l’ensemble d’une séquence Compton et marque le temps de départ t0 de dérive des charges. Les charges créées autour de chaque vertex d'interaction du gamma vont dériver sous l'effet d'un champ électrique vers l'anode segmentée pour y induire des courants électriques sur les pixels. Ces signaux induits sur les pixels permettent une localisation des interactions dans un plan perpendiculaire au champ électrique (x,y). Le temps associé à l’arrivée des paquets d’électrons de chaque interaction (t1) au niveau de l’anode permet, connaissant la vitesse de dérive V des électrons dans le xénon liquide, de calculer la troisième coordonnée z suivant la relation : z = V (t1 - t0). Afin de ne pas induire un signal sur l’anode durant toute la dérive des porteurs de charge, le signal est écranté par une grille de Frisch. La lecture du signal d’ionisation est faite grâce à une microstructure appelée MIMELIE constituée d'une zone d'induction d'une hauteur d'environ 100 μm et d'une microgrille électroformée. Chaque pixel est connecté à une électronique front-end bas bruit IDeF-X-HD comportant 16 voies, qui a été développée initialement par le CEA à Saclay et adaptée à XEMIS, elle intègre un préamplificateur de charge et un shaper.
Caméra pour l'imagerie à 3 photons du petit animal (XEMIS2)
La deuxième phase du projet appelée XEMIS2 est actuellement en cours et consiste en la construction d’une caméra cylindrique dédiée à l’imagerie du petit animal. Cette caméra contenant 200 kg de xénon liquide, installée au centre d’imagerie CIMA (Centre d'Imagerie Multimodalités et Applications) du CHU de Nantes devra à terme produire des images de souris effectuées dans le cadre de recherches d’intérêt préclinique. La technologie mise en œuvre est complètement nouvelle et a nécessité la conception d’une puce électronique XTRACT dédiée à la mesure du signal d’ionisation sur chacun des 20000 pixels de la caméra XEMIS2, ce développement a été effectué en collaboration avec le pôle MICRHAU de l’IN2P3. Un système cryogénique original de récupération et de stockage du xénon liquide a également été conçu en partenariat avec le groupe ALAT d’Air Liquide.
L’objectif scientifique principale de XEMIS2 est de montrer qu’il est possible de réaliser une image d’un petit animal de bonne qualité à basse activité, environ 100 fois moins que celle utilisée avec une camera microPET classique à cristaux scintillants. Pour atteindre cet objectif, de nouveaux algorithmes de reconstruction adaptés à l’imagerie à 3 photons sont à l’étude en partenariat avec des chercheurs spécialistes de ce domaine du laboratoire LATIM à Brest, du CRCINA à Nantes et de l’Ecole Centrale de Nantes (LS2N).
La conception de la mécanique de XEMIS2 a été réalisée à SUBATECH ainsi que l'usinage de certaines pièces. Les figure ci-dessous montrent une coupe du détecteur où l'on peut distinguer les deux TPC cylindriques avec une cathode centrale commune et les deux anodes équipées de leur électronique de lecture à chaque extrémité. La zone active est entourée de photomultiplicateurs montés dans un support mécanique visible sur la photo ci-dessous.
La conception de la chaîne électronique de lecture des signaux d'ionisation et de scintillation, allant du détecteur jusqu'au système d'acquisition des données a été en grande partie réalisée à SUBATECH. La figure ci-dessous montre une vue d'ensemble de l'assemblage de l'électronique de lecture du signal d'ionisation sur une demi TPC. Un banc test constitué de l'électronique Front End jusqu'au système d'acquisition des données a permis de valider une partie de la chaĩne de lecture (photo ci-dessous).
Dès le début du projet XEMIS, les performances attendues en terme de qualité d'image de l'imagerie à 3 photons ont été estimées à partir de simulations Monte Carlo basées sur les logiciels GEANT4 et GATE. Des algorithmes de reconstruction dédiés ont été développés afin de bénéficier le plus possible des avantages combinés de cette nouvelle modalité d'imagerie et de la technologie au xénon liquide. La figure ci-dessous représente les images d'un fantôme numérique (cylindre de 7 cm de diamètre et 12 cm de long) simulé sous GATE et reconstruit avec un algorithme de type ML-EM TOF-PET. Le temps d'aquisition est de 20 minutes avec une activité totale de la source de Scandium-44 simulée de seulement 20 kBq. L'apport de l'information du cõne Compton sur la qualité de l'image obtenue est mis en évidence dans cette étude. L'mage à gauche est reconstruite en utilisant uniquement l'information des LOR (Line Of Response) comme en TEP stardard, l'image du milieu et l'image de droite sont reconstruites en utilisant l'information du croisement du cõne Compton avec la LOR pour deux valeurs différentes d'un paramètre caracérisant la résolution spatiale du croisement.
Une nouvelle génération d'expériences est prévue dans le futur pour la détection directe de la Matière Noire. Le projet DARWIN vise à la réalisation d'un futur observatoire d'astroparticules en Europe. L'objectif est de concevoir et construire un détecteur au xénon liquide à l'échelle de plusieurs tonnes pour la détection directe de la Matière Noire. Le détecteur sera basé sur une chambre à projection temporelle double phase contenant 50 tonnes de xénon liquide.
L'objectif principal de DARWIN est de sonder la section efficace de diffusion WIMP-nucléon indépendante du spin jusqu’à la limite du fond irréductible de neutrinos. Le niveau de bruit de fond très bas qui devrait être atteind rend cette expérience également idéale pour un grand nombre d'autres recherches d'événements rares, comme par exemple la désintégration double bêta sans émission de neutrino (0ν2β), les neutrinos solaires pp, les axions, les neutrinos de supernovae et d’autres processus nucléaires rares. En cas de découverte d'un signal de Matière Noire, DARWIN permettra d’étudier avec une bonne précision ses propriétés.
Dans ce contexte les membres de l’équipe Xénon contribuent fortement aux études de sensibilité de DARWIN à la recherche WIMP-nucléon spin indépendant ainsi qu'à la double désintégration bêta du 136Xe sans émission de neutrinos, à l'aide des simulations Monte Carlo.
L’expérience DAMIC-M (Dark Matter in CCD à Modane) a comme objective d’explorer les candidats de matière noire légère, avec des masses allant jusqu’à quelques electron-Volt, et qui ne sont pas détectables par les expériences actuelles. L’absence de resultats positifs dans la recherche des WIMPs a motivé la communauté scientifique à élargir ses horizons au-delà du paradigme des WIMPs et un scenario possible est que la matière noire soit formée de particules légères, dites du secteur "sombre" ou "caché", qui interagiraient encore plus faiblement avec la matière ordinaire. Un exemple est le "photon sombre", une version invisible et massive du photon ordinaire, qui pourrait aussi servir de médiateur des interactions entre la matière ordinaire et les particules du secteur caché.
L’expérience DAMIC-M utilisera des capteurs à transfer de charge (ou CCD, Charged Couple Device) pour détecter les reculs nucléaires et électroniques des particules de matière noire avec le Silicium des CCD. Les CCD sont des dispositifs utilisés depuis de nombreuses décennies dans les appareils photos numériques de hautes qualités et dans les télescopes astronomiques pour l’imagerie d’objets astrophysique de faible luminosité. L’utilisation des CCD pour la détection des interactions des particules de matière noire dans le CCD a été lancée en 2016 par l'expérience DAMIC avec un prototype de 40 g installé dans une mine à 2 km sous terre , au Canada) et montré en Fig. 1.
Le détecteur DAMIC-M sera composé de 50 CCD, pour une masse totale de l'ordre du kg. Les CCD de DAMIC-M sont les plus épais jamais construits. Ils ont une épaisseur de 675 µm (contre les 10-20 µm des CCD des appareils photo) et une taille de 36 millions de pixels (soit 9 cm x 9 cm) pour une masse de 13g environ. Ils utiliseront une nouvelle technologie de lecture pour atteindre une résolution d'une fraction d'electron. Avec un bruit de moins de 0,1 électrons, les CCDs de DAMIC-M pourrons détecter chaque électron et être sensibles à des dépôts d’énergie aussi petits que 2-3 eV. En plus, les CCDs permettent une reconstruction 3D des événements et une résolution spatiale unique au monde qui est cruciale pour séparer les événements de bruit radioactif de ceux du aux interactions de la matière noire.
Le détecteur DAMIC-M à été financé par une bourse ERC (European Research Council) et par l’agence NSF aux Etats Units en 2018. Il est actuellement en phase de conception (Fig.2). Un prototype sera installé en 2021 au Laboratoire Souterrain de Modane, dans le tunnel du Frejus en France. La collaboration DAMIC-M regroupe plus de 70 membres provenants de 7 pays du monde entiers (France, Etats Units, Espagne, Suisse, Argentine, Canada et Danemark).
Le groupe à Subatech participe à la conception du détecteur, aux simulations et l’estimation du bruit de fond et à l’analyse des données. En plus, un nouveau système de refroidissement a été proposé par le service mécanique de Subatech et un prototype du cryostat a été construit au laboratoire en 2020 pour valider son fonctionnement.
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Le projet SPHERE: R2D2 & NEWS-G
L’objectif du projet SPHERE est de développer et d’exploiter le nouveau concept de Compteur Proportionnel Sphérique (SPC) pour la recherche d’interactions ultra-rares. Ce détecteur réuni nombre des caractéristiques essentielles à la recherche de matière noire (LDM) dans la région des très faibles masses (0,1-5 GeV), ainsi qu’à la recherche de la désintégration 2β0ν(Eβ~ MeV). Sa structure mécanique induit un budget matière minimal, assurant ainsi la radioactivité interne la plus restreinte possible. Doté d’une excellente résolution en énergie (1,1 % FWHM à 5,3 MeV) et d’un très faible seuil de détection (< 20 eVee) permettant d’observer des électrons uniques, il offre aussi la possibilité unique d’exploiter différents gaz (légers ou lourds) et à différentes pressions (de 0,1 à 40 bar), ajoutant ainsi des redondances exceptionnelles pour vérifier toute preuve possible des signaux recherchés. En outre, ce détecteur monocanal est particulièrement adapté à l’utilisation intensive de technique de traitement de signal afin d’atteindre des performances ultimes de détection.
Toutes ces potentialités ont conduit à débuter deux programmes expérimentaux auxquels SUBATECH s’est associé en 2017: R2D2 pour la recherche double-beta sans neutrinos (programme 2β0ν démarré en 2017 et impliquant 5 laboratoires français et 1 laboratoire UK); NEWS-G pour la recherche de WIMPS à très faible masse (collaboration internationale démarrée en 2015 et regroupant 13 laboratoires).
Pour ces deux programmes, SUBATECH développe les algorithmes de traitement des signaux permettant d’atteindre les performances ultimes du détecteur (rapport signal à bruit, résolution en énergie, détection des électrons uniques, identification des traces multiples, trigger numérique). Les résultats obtenus ont déjà impacté très significativement les performances du détecteur.
Ayant initialement exploité le prototype SEDINE (0,6 m de diamètre) installé au LSM, les premiers résultats de NEWS-G publiés en 2018 ont établi une nouvelle contrainte mondiale sur la section efficace de diffusion élastique WIMPS à 0.5 GeV. En 2019, une nouvelle sphère nommée SNOGLOBE (1,4 m de diamètre) mieux adaptée à la détection des très faibles reculs, a été construite en France puis testée au LSM. La publication des premiers résultats a débuté en 2020. Depuis 2020, ce détecteur est installé à SNOLAB. Les résultats obtenus en 2021-22 orienteront les stratégies futures de la collaboration.
Concernant R2D2, le premier prototype (0,4 m de diamètre), dédié aux tests avec des gaz à très haute pression (33 l à 40 bar) a été construit en 2018 au CENBG. De 2019 à 2020, différentes optimisations du FEE (Front End Electronics) et de l’anode centrale ont été menées, permettant d’atteindre, avec une source 210Po et un gaz Ar-P2, une résolution de 1.1 % FWHM sans correction. L’objectif de 2021 sera d’obtenir pour des traces β une résolution de 1% FWHM à Qββ = 2.45 MeV en exploitant du xénon gazeux à haute pression. Si cette étape est franchie avec succès, l’enjeux de l’étape suivante sera de construire puis tester un démonstrateur « zero background » qui sera installé au LSM.
Photos des détecteurs SPC utilisés dans R2D2 (à droite) et NEWS-G (à gauche). Ils sont constitués d'une cavité sphérique mise à la masse contenant le gaz, dans laquelle une bille en acier inoxydable de 1 mm de rayon au centre est portée à une tension positive de l'ordre du kV.
Le projet XENON regroupe plus de 150 chercheurs dans le monde dont l’objectif scientifique principal est la première observation des signaux générés par l’interaction directe des particules à l’origine de la présence de Matière Noire dans l’univers avec un noyau de xénon. La technologie utilisée pour mesurer cette faible interaction consiste d’une chambre à projection temporelle contenant du xénon liquide. La Collaboration XENON est l’une des plus actives et les plus reconnues dans ce domaine : elle est la première à avoir franchi le seuil emblématique de la tonne de matière visible exposée à la présence de Matière Noire avec l’expérience XENON1T, au laboratoire souterrain du LNGS en Italie, qui a enregistré des données jusqu’à fin 2018. Avec le niveau de bruit de fond le plus bas jamais atteint par une chambre à projection temporelle au xénon liquide, XENON1T s’est avérée être pas seulement l'expérience de détection directe de matière noire la plus sensible sur terre pour la recherche de WIMPs, mais aussi adaptée pour d’autres recherches d’événements rares intéressantes comme la désintégration double beta sans émission de neutrino (0ν2β), la double capture électronique et autres.
Dans la continuité du projet, les membres de la collaboration sont actuellement en train de mettre à niveau l'expérience pour la nouvelle phase XENONnT qui comportera une masse de détecteur actif trois fois plus grande. Grâce à un niveau de bruit réduit, la sensibilité du détecteur sera amplifiée d’un ordre de grandeur.
L’équipe du laboratoire Subatech a rejoint la collaboration XENON en 2009. Depuis, ses membres sont très engagés dans l'analyse et interprétation des données aussi-tant que dans la conception et mise en fonction des détecteurs.
Pour XENON1T nous avons eu la responsabilité du nouveau système cryogénique conçu et breveté par nos chercheurs, l’unité ReStoX1. C’est l’une des spécificités expérimentales les plus emblématiques de l’expérience : une sphère accueillant l’ensemble du xénon, à même de le récupérer rapidement, de le stocker en le gardant parfaitement pur. Dans le contexte du lancement de XENONnT, l’équipe de Subatech (en collaboration avec les autres laboratoires français) a également proposé et réalisé une 2ème station auxiliaire : ReStoX2. Les membres de l'équipe Xénon sont aussi fortement impliqués dans l'analyse des données des expériences du projet XENON. Nos contributions incluent les investissements dans la recherche phare WIMP-nucléon spin indépendant ainsi que la recherche de la double désintégration beta du 136Xe sans émission de neutrinos.
