Laboratoire de physique subatomique et des technologies associées

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Publication : 12 août 2020

Avec le niveau de bruit de fond le plus bas jamais atteint par une chambre à projection temporelle au xénon liquide, XENON1T s'est avéré être l'expérience de détection directe de matière sombre la plus sensible sur terre pour des candidats ayant une masse supérieure à 3 GeV/c2. 
Bien que XENON1T ait été principalement conçue pour rechercher des reculs nucléaires entre des particules massives interagissant faiblement (Weakly Interacting Massive Particles, WIMPs) et des atomes de xénon à des énergies de l’ordre du keV, le niveau sans précédent de radioactivité atteint a rendu l’expérience XENON1T également adaptée pour d’autres recherches d’événements rares issus de reculs électroniques à faibles O(keV) et aussi plus hautes O(MeV) énergies. Parmi ces recherches, la désintégration double beta sans émission de neutrino (0ν2β) du 136Xe recouvre un intérêt particulier car l’observation d'une telle décroissance radioactive permettrait d’accéder à l’échelle de masse du neutrino et de répondre à une des grandes questions actuelles de la physique des particules : quelle est la nature des neutrinos ? Sont-ils des particules de Dirac (particule et antiparticule sont deux états distincts) ou de Majorana (particule et antiparticule sont le même état) ?  Avec le but de répondre à cette question, les membres de l’équipe Xénon de SUBATECH sont très engagés dans l’analyse de la 0ν2β au sein de la Collaboration XENON. En particulier, le travail de thèse de Chloe Therreau a mené au résultat majeur montré sur la couverture de EPJC 80/08 dans l’image ci-après (lien vers l'article).

Avant ce travail, les chambres à projection temporelle double phase au xénon, conçues pour rechercher des WIMPs, étaient caractérisées par une détérioration de la résolution en énergie pour les énergies de recul électronique supérieures à ∼100 keV. Dans l'expérience XENON1T, nous avons développé une méthode de correction du signal qui a permis de bien reconstruire les signaux d'intérêt dans une plus large gamme d'énergie. En particulier, nous avons démontré qu'à l’énergie du signal de la 0ν2β du 136Xe (~2,46 MeV), la résolution en énergie relative (à 1-?) est aussi basse que (0,80 ± 0,02)%. L’excellent résultat de XENON1T ouvre de nouvelles fenêtres pour les détecteurs double phase au xénon pour la recherche simultanée de matière noire et d'autres événements rares.

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Publication : 23 avril 2020

Posté le 22 avril 2020 par Nicolas LOUIS dans Innovations sectorielles
Accès à l'article dans "Technique de l'ingénieur"
Des chercheurs développent une nouvelle technique d'imagerie médicale à partir du xénon à l'état liquide. Dans le futur, ce gaz rare pourrait présenter de multiples avantages lors de l'examen des patients.

Un nouveau scanner médical inventé à partir d’un travail de recherche sur la détection de la matière noire, c’est le projet de recherche que mène actuellement Subatech, le laboratoire de physique subatomique et des technologies associées. Ce projet, baptisé Xémis, regroupe l’Institut Mines-Télécom Atlantique, le CNRS et l’université de Nantes. « Au sein d’une équipe internationale, nous travaillons sur la détection de signaux de matière noire à partir du xénon à l’état liquide, explique Dominique Thers, chercheur et responsable d’une équipe de recherche de ce laboratoire à l’IMT Atlantique. Ce gaz rare est présent dans l’air à une densité de 10-7 atomes par molécule d’air. Nous avons eu l’idée de nous en servir pour développer une nouvelle technique d’imagerie médicale. »

Une meilleure qualité d'image
Le scanner se présente sous la forme d’une baignoire cylindrique en forme de tube à l’intérieur duquel le patient peut s’allonger. Les parois, de 12 centimètres d’épaisseur, sont remplies de xénon.
L’appareil s’inspire directement de l’imagerie par tomographie par émission de positons (TEP-Scan), technique qui repose sur l’injection dans le sang d’un traceur faiblement radioactif. Habituellement, le fluor18 est utilisé car il émet, lors de sa désintégration, deux photons gamma diamétralement opposés (180°). Cette propriété permet de tracer une ligne qui passe dans le corps du malade et de localiser la zone d’émission, proche de celle où l’atome s’est fixé. Des algorithmes se chargent ensuite de traiter tous les points afin de reconstruire une image. « Nous employons un autre traceur : le scandium 44, révèle le chercheur. Il a la particularité d’émettre un 3ème photon qui passe par le point d’émission et permet ainsi une triangulation directe de la position et donc une meilleure qualité de l’image ».

Autre différence significative : le xénon liquide fait office de caméra. Nul besoin de faire déplacer un anneau de capteurs le long du corps du patient, comme c’est le cas avec les appareils actuels. Les images ne sont plus retranscrites « en tranches » mais offrent un champ de vision homogène dans toutes les directions. Là encore, avec une meilleure précision.
Pour obtenir une image de qualité égale aux scanners actuels, les chercheurs pensent utiliser 100 fois moins de médicament radioactif. Normalement, quelques mégabecquerels sont injectés par kg de patient. « Ici, quelques kilobecquerels suffiront, analyse Dominique Thers. Les patients seront ainsi beaucoup moins exposés à la radioactivité ». Un bénéfice car le risque individuel d’une telle exposition n’est pas nul et chaque indication d’examen doit être soigneusement pesée suivant le bénéfice attendu. Ce scanner au xénon offrira ainsi la possibilité, pour un même patient, de faire plus d’examens. Une fréquence plus élevée qui permettra une plus grande personnalisation de l’examen avec une meilleure précision du diagnostic et du suivi thérapeutique pratiqué en cancérologie. La durée du scannage devrait aussi être plus courte, permettant ainsi de réaliser plus d’examens quotidiennement pour chaque appareil. Actuellement, un temps d’environ vingt minutes est nécessaire pour chaque patient. Ici, quelques minutes seulement devraient suffire.

 

Des tests sur de petits mammifères
Ce projet de recherche va à présent rentrer dans sa phase d’essai. Un premier prototype va être installé au CHU de Nantes et des tests vont débuter sur des souris et des rats.
La baignoire, d’une longueur de 24 cm, permettra de scanner le corps entier de ces petits mammifères en une seule fois. « Ce nouveau scanner médical vient directement d’un autre domaine, celui de la recherche de matière noire, nous sommes vraiment en rupture avec les autres pistes explorées à l’heure actuelle, confie Dominique Thers. Ces essais auront pour objectif de convaincre les industriels de l’intérêt de cette nouvelle technologie ». Un scanner à l’échelle de l’homme pourrait voir le jour à l’horizon 2025-2026.

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Publication : 18 juin 2020

XENON1T, l’expérience de recherche directe de matière noire la plus sensible au monde, a présenté, mercredi 17 juin 2020, un excès d’événements imprévus à basse énergie durant sa prise de données. La collaboration ne prétend pas avoir trouvé de matière noire mais ses données n’ont pas encore trouvé d’explication certaine. Parmi les 3 hypothèses sérieusement envisagées, deux mettraient en évidence de la nouvelle physique ! La première, et la plus convaincante (3,5 sigma), indique l’existence d’axions : un nouveau type de particules attendues dans la physique de l’interaction forte mais jamais mises en évidence depuis 40 ans. La seconde (3,2 sigma) serait la première mesure du moment magnétique du neutrino, une particule issue des désintégrations radioactives, aujourd’hui très étudiée pour être la porte d’entrée de l’observation de nouvelle physique. Ce surplus d’événements pourrait aussi être expliqué par la présence de tritium (3,2 sigma) au sein de l’instrument. Les estimations, de cet isotope de l’hydrogène, qui pourrait représenter une nouvelle source de bruit de fond, sont très difficiles et aucune mesure indépendante ne peut confirmer ou infirmer précisément cette appréciation.
XENON1T passe maintenant à sa prochaine phase - XENONnT - avec une masse active trois fois plus grande et un bruit de fond qui devrait être six fois inférieur à celui de XENON1T. Avec les données provenant de XENONnT, la collaboration XENON est convaincue qu'elle découvrira bientôt si cet excès est un simple hasard statistique, une contamination en tritium ou quelque chose de bien plus excitant : une manifestation de nouvelle physique au-delà du modèle standard.

Les membres de l’équipe Xénon de SUBATECH sont engagés dans la collaboration XENON depuis 2009. Ils participent activement aux prises de données, à leur analyse et à la vie de la collaboration. Ils ont également déployé leur savoir-faire technique dans la réalisation des systèmes de Récupération et de Stockage du Xénon (ReStoX1 et ReStoX2).

Lien vers la publication des résultats

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Publication : 14 février 2020

Face à la crise du COVID-19, grâce à une collaboration internationale des physiciens provenant du domaine de la physique des particules, des ingénieurs et médecins, a été conçu un respirateur mécanique open-source, pensé pour être produit en grande série, rapidement et à coût limité. Le ventilateur MVM (Mechanical Ventilator Milano) a obtenu le 1er Mai l'approbation de la Food and Drug Administration (FDA) aux Etats-Unis autorisant sa production et son utilisation en urgence en thérapie intensive pour les pays qui reconnaissent la certification américaine. Une demande pour l’obtention de la certification européenne est en cours.
Les laboratoires SUBATECH, l’APC-Paris et MINES-PariTech participent à l’analyse des données sur les performances du MVM et au processus de préparation du déploiement et de production en France. La collaboration inclut, entre autre, le Prof. Art MacDonald, prix Nobel en physique en 2015, les universités et laboratoires MIT, Princeton, Fermilab aux EU, TRIUMF et SNOLAB au Canada, l’INFN en Italie et CIEMAT en Espagne.