Le laboratoire Berkeley et Ideon reçoivent un financement pour développer un imageur muonique mobile

fr.wedoany.com Rapport : L’Agence de projets de recherche avancée – Énergie (ARPA-E) du Département de l’Énergie des États-Unis (DOE) a accordé un financement au projet de collaboration entre le Laboratoire national Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) et Ideon Technologies dans le cadre du programme « Rock Characterization for Reliable Ore Sensing » (ROCKS). Ce projet de trois ans vise à imager les gisements minéraux profonds avec une précision que les technologies de détection traditionnelles ne peuvent atteindre, afin de sécuriser l’approvisionnement national en minéraux critiques, des matériaux essentiels à la sécurité énergétique, industrielle et nationale.

Au cœur du projet se trouve le muon, une particule subatomique naturelle extrêmement pénétrante. Ideon collabore depuis des années avec l’industrie minière, utilisant des muons « passifs » produits par les collisions entre les rayons cosmiques et les particules de l’atmosphère pour cartographier les gisements et comprendre les structures souterraines. Ces muons n’arrivent que d’en haut, ce qui limite l’imagerie pour les détecteurs situés sous les corps minéralisés ou les structures géologiques ; leur flux est d’environ un muon par centimètre carré par minute, et l’exposition d’imagerie nécessite généralement de plusieurs jours à plusieurs semaines, voire plusieurs mois, selon la profondeur et la résolution requises.

Le nouveau projet vise à fournir un faisceau de muons à haut flux pouvant être dirigé vers des cibles telles que les corps minéralisés, générant des images 3D à haute résolution et réduisant le temps de découverte et de caractérisation des minéraux de plusieurs mois à quelques heures, accélérant ainsi le processus de la découverte à l’extraction. Ces sources de muons reposent sur des accélérateurs de particules à haute énergie, et l’équipement doit être suffisamment compact et mobile pour s’adapter aux applications sur le terrain.

Jeroen van Tilborg, chercheur principal du projet, scientifique senior et directeur adjoint des expériences au centre BELLA du département de Technologie des accélérateurs et de Physique appliquée (ATAP) du Berkeley Lab, explique que des muons d’une énergie d’environ 10 gigaélectronvolts (GeV) peuvent pénétrer environ 20 mètres de roche, de sol et de couches minérales ; des muons de plus haute énergie, de 30 GeV à 100 GeV, peuvent pénétrer de 50 mètres à plus de 100 mètres de profondeur.

La source de muons « actifs » repose sur la technologie d’accélérateur à plasma par laser (LPA) développée au centre BELLA. De puissantes impulsions laser ultracourtes déplacent les électrons dans le plasma, créant une onde électrostatique (champ de sillage) capable de fournir des champs d’accélération plusieurs ordres de grandeur supérieurs à ceux des accélérateurs traditionnels, accélérant des faisceaux d’électrons à des énergies de plusieurs GeV sur des distances centimétriques. Les électrons sont ensuite dirigés vers une cible solide, produisant un faisceau de muons trois à quatre ordres de grandeur plus intense que le flux naturel, tout en conservant l’énergie des électrons incidents. Selon van Tilborg, le driver de faisceau d’électrons à haute charge et haute énergie nécessaire pour produire le faisceau de muons est précisément le domaine dans lequel le LPA compact excelle, grâce à son gradient d’accélération ultra-élevé et sa compacité.

Le Berkeley Lab a précédemment accéléré des faisceaux d’électrons à 10 GeV sur une distance de 30 centimètres en une seule étape. L’objectif actuel du projet est de coupler deux étages LPA d’environ 6 GeV pour atteindre une accélération supérieure à 12 GeV. Une fois cette preuve de concept multi-étages réalisée et ses risques réduits, la voie technique vers des systèmes de 30 GeV (pénétrant 50 mètres de roche) et de 100 GeV (pénétrant 150 mètres) sera validée.

La clé de l’accélération en deux étages réside dans les lentilles à plasma actives et les miroirs à plasma à haute réflectivité : les premières refocalisent le faisceau d’électrons lorsqu’il quitte un étage pour entrer dans le suivant, tandis que les seconds préservent les caractéristiques du laser afin qu’il puisse continuer à piloter le champ de sillage plasma de l’étage suivant. Ces deux composants garantissent ensemble que le faisceau d’électrons traverse chaque étage et gagne de l’énergie à chaque étape, ce qui est essentiel pour produire les muons à pénétration profonde nécessaires à l’imagerie à haute résolution des cibles géologiques les plus profondes.

Anthony Gonsalves, scientifique de carrière au département ATAP, indique que les investissements du Berkeley Lab dans la recherche sur les LPA depuis de nombreuses années ont produit les technologies qui rendent ce projet possible. Il dirige les travaux sur l’accélérateur et occupe le poste de responsable des expériences pour le nouveau projet muonique. À ses yeux, ce projet est une opportunité passionnante de transformer des décennies de recherche sur les accélérateurs en technologies répondant à d’importants besoins nationaux, en développant des systèmes fiables capables de fournir les muons à haute énergie nécessaires à l’imagerie souterraine réelle.

Le projet est mené par trois institutions avec une répartition des tâches. Le département ATAP, en tant que responsable du matériel, applique son expertise en interactions laser-plasma et en simulations haute fidélité de type Particle-In-Cell pour développer la source d’électrons à deux étages de 12 GeV. Ideon fournit des capacités de tomographie muonique et de fusion avancée de données pour l’exploration minérale et l’industrie minière ; ses réseaux de détecteurs de muons propriétaires, ses simulations physiques et ses logiciels géologiques transforment les données brutes en visualisations 3D de densité massique, permettant aux géologues d’identifier les gisements et les anomalies structurelles avec une résolution métrique. Le département de Physique du Berkeley Lab, fort de décennies d’expérience dans les détecteurs de collisionneurs de particules à haute énergie, fournit l’instrumentation muonique et les diagnostics de suivi des particules pour optimiser le faisceau de muons.

Douglas Schouten, directeur technique d’Ideon, déclare que le défi des minéraux critiques exige des moyens plus rapides et meilleurs de comprendre et de développer les ressources dont la société a urgemment besoin. Grâce aux résultats du projet, une physique plus avancée que celle du plus grand accélérateur de particules au monde permettra d’imager des millions de pieds cubes de roche en quelques heures plutôt qu’en plusieurs mois. La collaboration d’Ideon avec des instituts de recherche de premier plan mondial comme le Berkeley Lab amène cette capacité de pointe hors du laboratoire, en la combinant avec la détection avancée et le pouvoir de pénétration des particules subatomiques pour libérer de la valeur pour les industries dont la société dépend.

En combinant l’expertise du Berkeley Lab en accélérateurs avancés avec les capacités commerciales et de détection quantique avancée d’Ideon, ce projet devrait jeter les bases d’une caractérisation des ressources minérales plus rapide, plus précise et plus rentable, stimulant le développement des minéraux critiques nationaux et renforçant les chaînes d’approvisionnement pour la sécurité énergétique, industrielle et nationale. Les applications de cette technologie ne se limitent pas à l’exploitation minière. Le système d’imagerie peut également identifier les cavités souterraines, les fissures et les cavernes, offrant des avantages pour le génie civil et la sécurité industrielle, avec des implications pour la sécurité nationale et les infrastructures critiques.

Cameron Geddes, directeur du département ATAP, déclare qu’en ouvrant la voie au développement de sources muoniques portables à pénétration profonde, ce projet garantit que les États-Unis maintiennent leur leadership dans les ressources minérales critiques, vitales pour l’énergie et l’économie, grâce à des technologies issues de nombreuses années de recherche pionnière sur les accélérateurs et les détecteurs.