Kunststof scintillatoren zijn een van de meest gebruikte actieve materialen in de hoge-energiefysica. Hun eigenschappen maken het mogelijk om deeltjestopologieën te volgen en te onderscheiden. Onder andere, scintillatoren worden gebruikt in de detectoren van neutrino-oscillatie-experimenten, waar ze de eindtoestand van de neutrino-interactie reconstrueren. Metingen van oscillatieverschijnselen worden uitgevoerd door waarnemingen van neutrino's in nabije detectoren (dicht bij het doel) en verre detectoren (tot enkele honderden kilometers afstand) te vergelijken.

CERN is sterk betrokken bij het T2K-experiment, het huidige wereldleidende neutrino-oscillatie-experiment, in Japan, die onlangs veelbelovende resultaten heeft opgeleverd. Een toekomstige upgrade van de nabije detector van het experiment zal de weg vrijmaken voor nauwkeurigere resultaten. De nieuwe detector zal een plastic scintillatordetector van twee ton bevatten op basis van polystyreen, gesegmenteerd in 1 x 1 x 1 cm ³ kubussen, wat leidt tot een totaal van ongeveer twee miljoen gevoelige elementen:hoe kleiner de kubussen, hoe nauwkeuriger de resultaten. Deze technologie zou kunnen worden toegepast voor andere projecten, zoals de DUNE buurtdetector. Echter, nauwkeurigere metingen zouden een fijnere granulariteit vereisen, waardoor de detectoreenheid moeilijker wordt.

Dit is waar de CERN EP-Neutrino-groep - onder leiding van Albert De Roeck - ingrijpt, ontwikkeling van een nieuwe techniek voor de productie van plastic scintillatoren die additieve fabricage omvat. De R&D wordt uitgevoerd in samenwerking met het Institute for Scintillation Materials (ISMA) van de National Academy of Science van Oekraïne, die een sterke expertise heeft in de ontwikkeling van scintillatormaterialen, en de Haute École d'Ingénierie et Gestion du Canton de Vaud (HEIG-VD), die expert is in additive manufacturing. Het uiteindelijke doel is om een ​​"superkubus, " dat is, een enkel massief blok scintillator met veel optisch onafhankelijke kubussen. 3D-printen zou het probleem van het samenstellen van de afzonderlijke kubussen oplossen, die dus in elke maat kon worden geproduceerd, inclusief kleiner dan 1 cm ³ , en relatief snel (volumes groter dan 20 x 20 x 20 cm ³ kan in ongeveer een dag worden geproduceerd).

Tot dusver, de samenwerking is vruchtbaar gebleken. Een voorlopige test leverde het eerste proof-of-concept op:de scintillatielichtopbrengst van een op polystyreen gebaseerde scintillator 3D-geprint met gefuseerde depositiemodellering bleek vergelijkbaar te zijn met die van een traditionele scintillator. Maar de weg naar een kant-en-klare superkubus is nog lang. Verdere optimalisatie van de scintillatorparameters en afstemming van de 3D-printerconfiguratie, gevolgd door een volledige karakterisering van de 3D-geprinte scintillator, moet worden bereikt voordat het lichtreflectormateriaal voor het optisch isoleren van de kubussen kan worden ontwikkeld.

Deze nieuwe techniek zou ook nieuwe mogelijkheden kunnen bieden op het gebied van deeltjesdetectie. Een succesvolle 3D-geprinte plastic scintillatordetector zou de weg kunnen effenen voor een breder gebruik van deze technologie in de detectorbouw, die het veld van de hoge-energiefysica zou kunnen opschudden, evenals die van de geneeskunde, waar deeltjesdetectoren worden gebruikt, bijvoorbeeld, bij kankertherapie. Bovendien, de zeer kosteneffectieve 3D-printer kon vrij eenvoudig worden gerepliceerd en in een groot aantal instellingen worden gebruikt. Umut Kose, van de EP-neutrino-groep en Neutrino Platform bij CERN, legt uit:"Onze droom gaat verder dan de superkubus. We denken graag dat, in een paar jaar, Met 3D-printen kunnen middelbare scholieren hun eigen stralingsdetectiesysteem maken. Het bereikpotentieel van deze technologie is verbluffend."

Davide Sgalaberna, nu bij ETH Zürich, kan zijn enthousiasme voor dit avontuur niet verbergen:"Dit is de eerste keer dat 3D-printen kan worden gebruikt voor echte deeltjesdetectoren. We transformeren onze persoonlijke wil in een project, en we hebben goede hoop dat dit tot een doorbraak kan leiden. Dat is spannend." Deze sensatie wordt gedeeld door Davide's collega's, die meer dan klaar zijn om het werk aan de 3D-geprinte detector te hervatten zodra de versoepeling van de lockdown iedereen in staat stelt terug te keren naar CERN.