L’insertion d’une fine fibre de verre, pas plus épaisse qu’un cheveu humain, dans un faisceau de particules pourrait permettre d’améliorer la surveillance d’un accélérateur. Une équipe teste en effet l'utilisation de fibres optiques creuses pour mesurer le profil et la position des faisceaux issus du Supersynchrotron à protons, deuxième plus grand accélérateur du CERN, qui alimente les expériences situées dans la zone Nord.
Contrairement aux fibres traditionnelles, qui guident la lumière à travers du verre solide, les fibres optiques creuses sont pratiquement vides à l’intérieur, mais leur microstructure est conçue de façon à transmettre la lumière grâce à des effets de résonance-antirésonance dans le champ électromagnétique. En remplissant ces fibres d’un gaz scintillant (gaz qui émet de minuscules flashs lumineux lorsqu’il est frappé par des particules), il est possible de créer un capteur de rayonnements simple mais puissant, permettant d’ajuster le profil et la position du faisceau, voire de mesurer en temps réel la dose livrée. Contrairement aux chambres proportionnelles multifils et aux détecteurs à scintillateurs utilisés actuellement, ces fibres peuvent être utilisées dans un environnement exposé à des rayonnements extrêmes et pourraient donc se révéler très utiles pour les futurs accélérateurs et expériences du CERN.
Mesurer les faisceaux de particules avec fiabilité est essentiel aussi bien pour les physiciens expérimentateurs que pour les physiciens spécialistes des faisceaux. L’exploitation des accélérateurs du CERN repose sur la quantité considérable de données envoyées par des milliers de capteurs de faisceau répartis le long des machines. Mais, à des énergies ou des intensités élevées, la fiabilité de ces données peut être compromise. C’est également un problème pour les scientifiques qui développent des accélérateurs pour des applications médicales, telles que la radiothérapie FLASH. Cette technique, qui permet de délivrer des rayonnements à des débits de dose ultra-élevés, s'avère très prometteuse pour le traitement du cancer, mais, en raison des conditions extrêmes auxquelles son faisceau est soumis, il est également nécessaire de mettre au point de nouveaux types d'outils de surveillance.
Une équipe chargée des diagnostics de faisceau pour les expériences du CERN et des scientifiques travaillant sur des applications médicales cherchent à développer de nouveaux outils capables de supporter des rayonnements extrêmes. En associant l’expertise en matière d’accélérateurs à la recherche médicale, la technologie testée pour la zone Nord du CERN pourrait un jour permettre d’administrer aux patients la thérapie FLASH en toute sécurité.
En 2024 et 2025, la collaboration a mis le concept à l’épreuve dans différentes installations de test et accélérateurs du CERN, tels que CLEAR. Le test consistait à exposer une fibre remplie d'un mélange d'argon et d'azote à un faisceau d'électrons et à la relier à un photomultiplicateur au silicium (capteur capable de détecter des photons uniques). À chaque passage du faisceau, le gaz se met à briller et la fibre transmet le signal correspondant au détecteur.
Les résultats, présentés cette année lors de la conférence IBIC (International Beam Instrumentation Conference), sont remarquables. « Les mesures du profil de faisceau réalisées par la fibre correspondent étroitement à celles des écrans YAG classiques, composés d’un cristal qui émet une lueur quand il est frappé par des particules, explique Inaki Ortega Ruiz, qui supervise la consolidation de l’instrumentation de faisceau dans la zone d’expériences Nord du SPS. Même après avoir reçu une dose de rayonnements suffisamment élevée pour endommager nombre d’instruments, la fibre n’a montré aucun signe de perte de performance. »
Ces premiers résultats sont encourageants, mais il reste du travail pour améliorer la connexion entre la fibre et le détecteur, tester les fibres étanches préremplies de gaz et étudier la résistance des fibres aux rayonnements sur le long terme.