Rejoignant la mission ScanPyramids, conçue et coordonnée par la Faculté des ingénieurs de l'Université du Caire et l'Institut HIP (Heritage Innovation Preservation) sous l'autorité du ministère égyptien des Antiquités, l'Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers – Irfu) du CEA apporte son expertise dans l'utilisation de détecteurs muoniques. Ceux-ci seront complémentaires à ceux déjà déployés sur place par des experts japonais, et qui ont vocation à être utilisés à l'intérieur des pyramides, tandis que les télescopes du CEA seront utilisés de l'extérieur.
Le CEA-Irfu développe en effet, depuis plusieurs années, des détecteurs gazeux, à micro-pistes, appelés Micromegas, co-inventés par le CERN et le CEA. De plus en plus précis, ils servent habituellement à reconstruire les traces des particules pour de nombreuses expériences en physique des hautes énergies. Les Micromegas du CEA, permettant de couvrir des grandes surfaces pour un coût raisonnable, ont déjà été utilisés dans des expériences portées par des collaborations mondiales de physique des hautes énergies ou sont déjà sélectionnés pour équiper la prochaine génération d'expériences :
- l'expérience COMPASS étudiant la structure du proton au CERN ;
- l'expérience MINOS qui explore les noyaux exotiques auprès de l'accélérateur du laboratoire Riken au Japon ;
- L'expérience CLAS12 au laboratoire Jefferson (démarrage 2017) ;
- L'expérience ATLAS de la phase haute luminosité du LHC (prévue en 2018).
C'est donc à partir de ces détecteurs innovants que le CEA-Irfu a conçu des télescopes muoniques spécifiquement dédiés à la mission ScanPyramids. Le cœur des détecteurs est aujourd'hui fabriqué par l'industriel français ELVIA à qui le procédé de fabrication a été transféré. Ces détecteurs sont ensuite assemblés, testés puis intégrés aux télescopes à Saclay, au sein des laboratoires du CEA.
Chaque télescope est constitué de 4 détecteurs gazeux de type Micromegas de dernière génération dite « multiplexée-résistive », d'une électronique gérant le fonctionnement et la lecture des détecteurs avec en particulier l'acquisition et la transmission des évènements détectés en coïncidence dans les 4 plans. Le résultat se présente sous la forme d'une boîte compacte (1,5 mètre de long, 70 cm de large, et environ 200 kg) autonome en terme d'alimentation avec une très faible consommation électrique (25 W), et permettant une imagerie en temps réel.
La tomographie muonique, une technologie qui mesure les particules cosmiques
Les muons, qui tombent en permanence sur la Terre à une vitesse proche de celle de la lumière avec un flux d'environ 10 000 particules par m2 et par minute, proviennent des hautes couches de l'atmosphère où ils ont été créés lors de collisions entre des rayons cosmiques issus de notre environnement galactique et les noyaux des atomes de l'atmosphère.
A l'instar des rayons X qui traversent notre corps et permettent de visualiser notre squelette, ces particules élémentaires, sorte d'électrons lourds, peuvent traverser des roches de grande épaisseur, telles les montagnes.
Des détecteurs, placés à des endroits judicieux (par exemple à l'intérieur de la pyramide, sous une possible chambre encore non détectée), permettent, par accumulation dans le temps des muons, de discerner les zones de vide (que les muons ont traversé sans interagir) et les zones plus denses où certains d'entre eux ont pu être absorbés ou déviés.
Tout l'art de la mesure consiste à réaliser des détecteurs extrêmement sensibles, puis à accumuler suffisamment de données (pendant plusieurs jours ou mois) pour accentuer les contrastes. Des équipes de recherche japonaises utilisent des scintillateurs plastiques pour effectuer la radiographie par muons des volcans ainsi que les réacteurs de la centrale de Fukushima. Plusieurs types de détecteurs à muon existent. Les détecteurs électroniques (utilisant des milieux ionisants à base de plastique scintillant ou de gaz comme Micromegas), contrairement aux émulsions chimiques, permettent une analyse des données en temps réel.
À propos de la mission #ScanPyramids
La mission ScanPyramids, lancée en octobre 2015, est conçue comme une mission sur le long terme mêlant différentes disciplines des mondes de la recherche et de l'ingénierie industrielle. Elle a un double objectif :
Faire évoluer la connaissance sur les pyramides de l'Ancien Empire ;
Offrir un terrain d'expérimentation, de confrontation au réel et d'évolution à des technologies innovantes qui, pour certaines, sortent tout juste des laboratoires de recherche fondamentale.
La mission vise à « scanner », durant une année, les grandes pyramides d'Egypte (Kheops, Khéphren, la pyramide rhomboïdale et la pyramide rouge) en combinant des méthodes de détection non invasives et non destructrices portées par des institutions scientifiques internationales : la thermographie infrarouge (Université Laval, Québec), la radiographie par muons (Université de Nagoya et High Energy Accelerator Research Organization – Japon ; ainsi que le CEA-Irfu) et la reconstruction en 3D réalisée par des appareils photographiques embaqués sur des drones.