Étude de l'émission rapide de lumière dans le xénon liquide à l'échelle de la picoseconde pour les applications en astrophysique et en imagerie médicale

L’imagerie médicale et l’étude de l’univers partagent une lentille commune, à savoir un détecteur capable de voir des particules invisibles à l’?il nu. En général, ce détecteur est basé sur un matériau scintillateur qui émet une très faible signature lumineuse lorsque ces particules invisibles interagissent avec lui. Le type de particule est alors identifié par l’analyse de cette signature, ce qui permet un certain niveau de discrimination entre le bruit d’arrière-plans et les évènements d’intérêt. En imagerie médicale, la signature elle-même est bien connue, mais les performances de génération de lumière des scintillateurs populaires constituent désormais un goulot d’étranglement. Ces scintillateurs ne peuvent pas atteindre l’objectif de performance de 10 picosecondes recherché par la communauté de l’imagerie, et c’est pourquoi de nouveaux matériaux de scintillation ou d’autres mécanismes de génération de lumière doivent être explorés. En physique des particules, les expériences espèrent trouver des signatures rares qui pourraient faire la lumière sur la nature des neutrinos et détecter de la matière noire supposée mais non encore observée. Pour pousser encore plus loin la sensibilité des détecteurs de la prochaine génération, il faut une compréhension détaillée des signatures afin de distinguer les occurrences rares de celles typiquement observées et connues.

Le programme «Light-only Liquid Xenon» (LoLX) vise à étudier en détail les mécanismes de génération de lumière dans le xénon liquide et à mesurer l’émission de lumière de Tcherenkov dans ce milieu pour la première fois (à notre connaissance). Les mesures extrêmement précises devraient aboutir à deux retombées majeures. 1) Améliorer l’identification des particules interagissant avec le xénon liquide, ce qui pourrait accroître les capacités de découverte des nouvelles générations d’expériences en physique des particules rares. 2) Déterminer expérimentalement si le profil d’émission de lumière du xénon liquide permet d’atteindre l’objectif de performance de 10 picosecondes et justifier l’assemblage d’un scanner complet exploitant le xénon liquide et des photocapteurs à réponse ultrarapide.

Cette proposition se concentre sur deux aspects du programme LoLX. Sur un premier aspect, la proposition vise l’analyse globale des données ainsi que la prise de données expérimentales initiales, en utilisant l’électronique de lecture lente déjà disponible, mais qui repose sur une stratégie de filtration des longueurs d’onde pour séparer et quantifier les différents mécanismes de génération de lumière. Sur un deuxième aspect, nous proposons de mettre à niveau et de mettre en service une électronique de lecture plus rapide (200 picosecondes) et d’essayer de séparer les mécanismes de génération de lumière sans utiliser de filtre, sur la base de la structure temporelle de leur émission. En plus des retombées mentionnées ci-haut, les résultats obtenus serviront à faire évoluer les modèles de simulation qui guideront ensuite la conception d’un système d’acquisition de données capable de maintenir la précision temporelle des photocapteurs ultrarapides.