Spectrométrie de temps de vol pour neutrons rapides par événement unique avec une source de neutrons pilotée par laser pétawatt

Pourquoi de petites rafales de neutrons sont importantes

Les neutrons, particules non chargées au sein des noyaux atomiques, sont des sondes puissantes pour la nature et la technologie. Ils aident les scientifiques à comprendre comment les éléments de l’univers ont été produits, comment se comportent les réacteurs nucléaires et comment les matériaux avancés réagissent au rayonnement. Pourtant, les grandes machines traditionnellement utilisées pour produire des faisceaux intenses de neutrons — réacteurs de recherche et grands accélérateurs de particules — sont coûteuses et de plus en plus rares. Cette étude explore une option très différente : utiliser un laser ultra‑puissant pour créer des rafales compactes et intenses de neutrons rapides et montre, pour la première fois, que ces rafales peuvent être mesurées événement par événement avec une grande précision.

Des machines géantes à des éclairs de table

Les sources de neutrons conventionnelles reposent sur de longs tunnels d’accélérateur ou des réacteurs nucléaires pour générer des faisceaux qui parcourent plusieurs mètres — parfois des centaines de mètres — avant d’atteindre une expérience. Leur taille et leur complexité limitent l’accès et ralentissent les évolutions. En revanche, les sources de neutrons pilotées par laser utilisent un laser de classe pétawatt focalisé sur une mince feuille solide. Les champs électriques extrêmes du laser arrachent des particules à la feuille et accélèrent principalement des protons à des dizaines de millions d’électronvolts en seulement des billionièmes de seconde. Lorsque ces protons percutent une seconde cible, appelée convertisseur ou capteur, ils produisent une rafale très courte et intense de neutrons rapides. Comme l’impulsion initiale est si brève, on peut en principe utiliser un chemin de vol beaucoup plus court pour mesurer l’énergie des neutrons, réduisant l’ensemble de l’installation à une expérience de la taille d’une salle.

Construire une expérience compacte mais propre

Transformer cette idée en un instrument de précision est un défi. L’interaction laser ne génère pas seulement des protons, elle projette aussi des électrons, des rayons X, des rayons gamma et du bruit électromagnétique qui peuvent facilement noyer des détecteurs délicats. Les détecteurs de neutrons traditionnels dans ce domaine mesurent généralement seulement le signal total provenant de nombreuses particules simultanément, ce qui convient pour compter les neutrons mais pas pour résoudre des réactions individuelles. Dans ce travail, l’équipe a construit une configuration rationalisée autour du laser pétawatt DRACO à Dresde. Ils ont caractérisé avec soin le faisceau de protons accéléré par le laser et les autres particules, puis ont utilisé des simulations informatiques détaillées pour concevoir le blindage et les positions des détecteurs. Les neutrons ont été créés en envoyant les protons dans des blocs de cuivre ou de fluorure de lithium. Un petit détecteur en diamant, résistant au rayonnement, a été placé à seulement 1,5 mètre — bien plus proche que dans les installations standards — pour capter les neutrons tout en les séparant temporellement de l’éclair photonique initial.

Écouter les « clics » d’un seul neutron

Le cœur de l’étude est la capacité à détecter des événements induits par un seul neutron plutôt que seulement un flou de nombreux événements. Le détecteur en diamant répond en moins d’un milliardième de seconde et est relativement peu sensible aux rayons gamma, ce qui le rend bien adapté à cet environnement hostile. Pourtant, les signaux électriques bruts étaient initialement dominés par l’éclair prompt des rayons X et par le bruit électromagnétique. Les chercheurs ont enregistré des traces pour chaque tir de laser et développé une méthode d’analyse dédiée pour soustraire le motif de bruit commun et rechercher de petites impulsions bien formées arrivant plus tard dans le temps. Chacune de ces impulsions correspond à une interaction neutronique dans le diamant. En mesurant le temps d’arrivée de chaque impulsion par rapport au tir laser et en utilisant le trajet connu de 1,5 mètre, ils ont converti le temps en énergie neutronique et construit un spectre en accumulant les données sur des centaines de tirs.

Séparer le signal du bruit de fond

Une difficulté majeure consistait à distinguer les neutrons provenant directement de la cible convertisseuse de ceux ayant été diffusés par les parois ou d’autres équipements. Pour quantifier ce bruit de fond, l’équipe a alterné des mesures normales avec des séries « ombrées » dans lesquelles un bloc d’un matériau absorbant les neutrons était temporairement placé entre la source et le détecteur. Les signaux enregistrés dans cette configuration ombrée provenaient principalement de neutrons diffusés et de rayonnements résiduels. En utilisant une approche statistique empruntée à l’astrophysique, ils ont combiné les deux jeux de données pour soustraire le bruit de fond et récupérer la contribution directe des neutrons. Ils ont ensuite corrigé pour l’efficacité dépendante de l’énergie du détecteur — connue à partir de simulations séparées — pour obtenir le rendement neutronique réel en fonction de l’énergie pour les deux matériaux convertisseurs et ont comparé le résultat avec des méthodes de comptage de neutrons indépendantes et deux codes de simulation majeurs.

Ce que révèlent les résultats

L’expérience a montré qu’une source pilotée par un laser pétawatt peut produire de façon fiable de l’ordre de cent millions de neutrons rapides par tir au‑dessus d’un million d’électronvolts, et que des événements neutroniques individuels peuvent être enregistrés proprement à seulement 1,5 mètre de la source malgré un fort rayonnement de fond. Les spectres énergétiques mesurés correspondaient aux prédictions numériques et aux détecteurs conventionnels à l’intérieur de quelques dizaines de pourcents, un bon accord compte tenu de la difficulté de l’environnement et du nombre limité de tirs. Lorsqu’on la compare à des installations d’accélérateur établies, la source pilotée par laser offre une résolution en énergie des neutrons comparable dans une configuration bien plus compacte et des neutrons par impulsion compétitifs, avec des voies claires d’amélioration à mesure que les lasers et les cibles à haute répétition progressent. En termes pratiques, cette preuve de concept montre que de futurs laboratoires de neutrons basés sur le laser pourraient réaliser des études détaillées de réactions nucléaires — y compris sur des isotopes radioactifs de courte durée de vie — dans de petits espaces et avec des impulsions exceptionnellement courtes, ouvrant de nouvelles opportunités en physique nucléaire, astrophysique et sciences appliquées.

Citation: Millán-Callado, M.A., Scheuren, S., Alejo, A. et al. Single-event fast neutron time-of-flight spectrometry with a petawatt-laser-driven neutron source. Nat Commun 17, 3154 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70312-7

Mots-clés: source de neutrons pilotée par laser, temps de vol pour neutrons rapides, laser pétawatt, détecteur en diamant, études de réactions nucléaires