Le laboratoire de Berkeley développe un imageur à muons à source active mobile

Le laboratoire national Lawrence Berkeley du département de l'Énergie des États-Unis et Ideon Technologies ont reçu un financement de l'Agence de projets de recherche avancée-Énergie (ARPA-E) du département de l'Énergie. Dans le cadre du programme « Caractérisation fiable des corps minéralisés par technologie de capteur fondamentale » (ROCKS), ils développeront conjointement une technologie d'imagerie par muons à source active déployable sur site. Ce projet d'une durée de trois ans vise à améliorer les capacités de détection et de caractérisation des ressources minérales critiques souterraines.

Crédit image : laboratoire national Lawrence Berkeley

Les muons sont des particules subatomiques à forte capacité de pénétration. Auparavant, Ideon Technologies avait déjà utilisé des muons « passifs » produits par les rayons cosmiques dans l'atmosphère pour l'imagerie des corps minéralisés dans le secteur minier, afin de cartographier les gisements et d'analyser les structures souterraines. Cependant, les muons passifs proviennent principalement du dessus, ce qui limite les angles de détection ; de plus, leur flux naturel est faible, environ un par centimètre carré par minute, et l'imagerie nécessite souvent des jours, des semaines, voire des mois.

La source de muons « active » que ce projet vise à développer utilisera des faisceaux de muons à haut débit pour irradier de manière ciblée des zones telles que les corps minéralisés, générant ainsi des images tridimensionnelles à haute résolution. Selon les responsables du projet, cette technologie pourrait réduire le temps nécessaire à la découverte et à la caractérisation des minéraux de plusieurs mois à quelques heures, accélérant ainsi le processus de l'exploration au développement.

Cette approche technologique s'appuie sur l'accélérateur à plasma laser du centre BELLA du département de technologie des accélérateurs et de physique appliquée du laboratoire de Berkeley. Ce type d'accélérateur utilise des impulsions laser ultracourtes à haute intensité pour générer un champ de sillage dans le plasma, accélérant des faisceaux d'électrons à des énergies de plusieurs gigaelectronvolts sur des distances centimétriques ; les faisceaux d'électrons bombardent ensuite une cible solide, produisant des faisceaux de muons dont l'intensité est supérieure de trois à quatre ordres de grandeur au flux naturel.

Selon le responsable du projet, des muons d'environ 10 gigaelectronvolts peuvent pénétrer des roches, des sols et des couches minéralisées d'une épaisseur allant jusqu'à 20 mètres ; des muons dont l'énergie est comprise entre 30 et 100 gigaelectronvolts peuvent pénétrer des objets d'une épaisseur de 50 à plus de 100 mètres. Le laboratoire de Berkeley a déjà démontré l'accélération en un seul étage de faisceaux d'électrons de 10 gigaelectronvolts sur une distance de 30 centimètres. Ce projet prévoit de coupler deux étages d'accélération à plasma linéaire d'environ 6 gigaelectronvolts chacun pour atteindre une accélération supérieure à 12 gigaelectronvolts, et de valider la voie technologique pour les futurs systèmes de 30 et 100 gigaelectronvolts.

Pour réaliser l'accélération en deux étages, le projet utilisera des lentilles à plasma actives pour refocaliser les faisceaux d'électrons à haute énergie, ainsi que des miroirs à plasma à haute réflectivité pour préserver les caractéristiques du laser, permettant ainsi aux faisceaux d'électrons d'être transmis entre les différents étages d'accélération et de continuer à gagner de l'énergie. Cette conception est essentielle pour obtenir des faisceaux de muons à plus haute énergie et à plus forte capacité de pénétration.

Selon la répartition des tâches, le département de technologie des accélérateurs et de physique appliquée du laboratoire de Berkeley est responsable du développement du matériel et de la source d'électrons à deux étages de 12 gigaelectronvolts ; Ideon Technologies fournira les capacités de tomographie par muons, les réseaux de détecteurs, les simulations physiques et les logiciels géologiques ; le département de physique du laboratoire de Berkeley fournira les instruments à muons et les techniques de diagnostic par suivi de particules pour optimiser les faisceaux de muons.

L'équipe du projet estime qu'en plus de l'exploration des minéraux critiques, cette technologie pourrait également être utilisée pour identifier les cavités souterraines, les fissures et les grottes, avec des applications potentielles dans le génie civil, la sécurité industrielle et les infrastructures critiques.