Développment d'un détecteur PICOSEC-Micromegas pour ENUBET

Le détecteur PICOSEC-Micromegas (PICOSEC-MM) est un détecteur gazeux innovant conçu pour offrir une résolution temporelle extrêmement précise dans les mesures expérimentales de physique des particules. Le principe fondamental repose sur l'élimination du jitter temporel généré par les particules chargées dans les zones d'ionisation, en exploitant la lumière Cherenkov UV extrême émise dans un cristal, détectée ensuite par un photodétecteur Micromegas à l'aide d'une photocathode adaptée. La preuve de concept de ce type de détecteurs a été réalisée avec des prototypes monocanaux testés dans des faisceaux de muons de 150GeV/c, atteignant une résolution temporelle de 25ps, soit une performance supérieure de deux ordres de grandeur à celle des meilleurs détecteurs gazeux existants. L'utilisation du détecteur PICOSEC-MM dans des mesures expérimentales de physique des hautes énergies implique le développement de prototypes robustes et efficaces, à conception modulaire.Ce travail est centré sur le développement et la caractérisation de prototypes PICOSEC-MM résistifs multi-pads, en vue de leur intégration dans le projet ENUBET (Enhanced NeUtrino BEams from kaon Tagging). ENUBET requiert une capacité de marquage temporel précise pour les électrons, les muons, ainsi que pour les gerbes électromagnétiques, afin de permettre l'identification des leptons à l'échelle du niveau particule unique. Les développements clés de ce programme de R&D incluent l'étude de nouveaux schémas résistifs, l'électronique évolutive, ainsi que des photocathodes robustes telles que le carbure de bore (B4C), qui ont démontré une bonne résistance dans les conditions de faisceau.Parmi les différents prototypes résistifs à 7 pads testés, le dispositif offrant les meilleures performances — basé sur un partage résistif régulier de 10MO — a atteint une résolution temporelle de 23ps dans des conditions optimales, et conservé une résolution de 26 ps même lors d'événements de partage de charge. En outre, ce prototype est le premier à avoir fait l'objet d'une étude dédiée de résolution spatiale, atteignant une précision de 1,2 mm dans les directions X et Y. Ces résultats démontrent que la technologie proposée est adaptée à une intégration en aval de l'amortisseur hadronique, après quelques longueurs de radiation, pour le suivi des muons.Dans des conditions de fonctionnement réalistes, pour le marquage des gerbes électromagnétiques, le détecteur a montré une résolution temporelle de 30 ps par cellule individuelle, confirmant la robustesse de la photocathode en B4C ainsi que du schéma résistif. Cela permet d'envisager l'utilisation du détecteur comme calorimètre électromagnétique pour l'application ENUBET.Cet effort de R&D ciblé a abouti à la conception d'un démonstrateur à 96 pads, développé pour prouver la scalabilité et la performance de la technologie pour ENUBET. Ce prototype de grande surface a introduit des solutions alternatives en matière de planéité des cartes et de modularité, atteignant une résolution temporelle inférieure à 40 ps par cellule. Ces résultats valident la faisabilité du marquage temporel précis des leptons dans un environnement à fort taux d'événements et posent les bases de l'implémentation des détecteurs PICOSEC-MM dans les faisceaux de neutrinos surveillés.