Dans l’objectif de réaliser de grands projets scientifiques liés aux origines, le LABEX LIO a, dès sa création, lancé un programme d’investissement dans de nouvelles installations innovantes expérimentales et techniques à la pointe de la technologie. Cela a donné lieu, entre autres à la plateforme mutualisée de cryogénie et d’intégration (CCIF) qui comprend, en plus d’un hall de montage au CRAL, trois équipements installés à l’IP2I : un un laboratoire unique en France, de développement de détecteurs d’argon liquide pour la détection de neutrinos, une plateforme « matière noire », centre de développement de détecteurs cryogéniques semi-conducteurs et supra-conducteurs, pour la détection d’évènements très rares, et une salle blanche pour optimiser l’intégration de détecteurs high-tech.

La plateforme technique de cryogénie de la matière noire LIO a été déployée en 2015 dans le CRYOLAB de l’Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon (IP2I), récemment rénové. Plus de 10 chercheurs, personnels techniques, enseignants et étudiants du groupe MANOIR et du service INSTRUMENTATION travaillent au développement de détecteurs cryogéniques au germanium et de l’instrumentation à faible bruit associée (câblage à faible capacité et à faible microphonie, électronique froide à faible bruit, matériel à faible radioactivité).

Les objectifs scientifiques sont axés sur la recherche directe de la matière noire (faible masse – sous-GeV – WIMPs, particule de type Axion, photon sombre) dans le cadre de l’expérience EDELWEISS et, récemment, sur l’application à de nouvelles études de physique avec la diffusion élastique cohérente des noyaux de neutrons (CENNS) dans le cadre de l’expérience Ricochet.

La principale caractéristique de l’installation est un cryostat à dilution « sèche » He3-He4 capable d’atteindre 10 mK. Le réfrigérateur a été conçu en collaboration avec la société française CryoConcept. Il est basé sur un cryo-refroidisseur commercial à tube d’impulsion PT410 de la société américaine Cryomech. Le cryo-refroidisseur a une puissance de refroidissement de 1,0 W à 4,2 K et de 40 W à 45 K. Le cryostat à dilution fonctionne donc « À SEC », sans hélium ni azote liquides.

Le point faible des réfrigérateurs à dilution « DRY » est les vibrations générées par la tête froide du tube à impulsions. Même si le moteur de la vanne est éloigné, la dilatation du gaz hélium dans la tête froide génère une large gamme de vibrations très désagréables pour la plupart des expériences.

La seule solution définitive pour couper toutes les vibrations est de découpler mécaniquement la tête froide et son moteur de soupape de l’unité de dilution. Le grand défi consiste à maintenir la performance de refroidissement du réfrigérateur sans contact physique entre les premier et deuxième étages de la tête froide et tous les étages du réfrigérateur à dilution jusqu’à la chambre de mélange.

Cette performance unique est réalisée dans le cadre de la technologie ultra silencieuse ™ développée par Cryoconcept et testée pour la première fois dans le laboratoire IP2I Cryolab à l’été 2015.

Depuis lors, le câblage du détecteur, l’électronique et les logiciels d’acquisition ont été développés et installés avec la grande aide des services techniques.

La salle blanche du LIO a été construite pour optimiser la construction et l’intégration des détecteurs de haute technologie. Elle est située à l’IP2I dans le bâtiment Van de Graaf. Grâce au labex LIO, un atelier de deux étages a été entièrement rénové et la salle blanche a été livrée en 2018. Dans un premier temps, la salle blanche sera utilisée pour accueillir la construction et l’intégration du futur embout du CMS Tracker pour le LHC à haute luminosité (HL-LHC, à partir de 2027). Le projet est appelé TEDD (Tracker Endcap Double Discs).

Le financement du Labex LIO a permis d’équiper la salle blanche d’instruments essentiels : un centre d’usinage de haute précision pour produire des éléments de construction clés, des cloisons de séparation pour assurer l’isolation au deuxième étage, une grande chambre froide capable de contenir les structures mécaniques pour les mesures thermiques jusqu’à -35°C (voir Fig.1), un bras de mesure 3D pour effectuer des mesures mécaniques précises, et un portique pour élever les structures mécaniques au deuxième étage (voir Fig.2).

Fig 1-1 Salle blanche LIO après la livraison, premier étage (mars 2019)

Fig 1-2 Chambre froide LIO installée au premier étage (janvier 2020)

Fig. 2-1 Portique entre le premier et le deuxième étage de la salle blanche

Fig 2-2 Premier prototype Dee grandeur nature (2,2 m de diamètre) et bras de mesure 3D

Grâce aux LABEX LIO, depuis 2013 l’installation du laboratoire argon liquide offre à l’IP2I une infrastructure complète pour les développements des chambres à projection temporelle à argon liquide (LAr TPC) qui est unique en France.

LIO liquid argon laboratory at IP2I, view of the cryostat and of the ancillary systems

Le laboratoire de 500 m3 de volume, permet un maîtrise et expertise complète de la technologie des détecteurs LAr, aspect clé pour la réalisation de expériences de nouvelle génération sur les neutrinos à grande distance, comme l’expérience internationale DUNE aux États-Unis, qui recherchera une violation de CP dans le secteur des neutrinos.

https://www.dunescience.org/

https://www.sanfordlab.org/article/why-dune-searching-origin-matter

L’infrastructure (voir une liste plus détaillée ci-dessous) couvre plusieurs technologies fondamentales dans l’R&D argon liquide comme les systèmes à ultravide, la technologie de purification de l’argon, la cryogénie, le système de très haute tension, les systèmes de contrôle de températures et pressions et les systèmes de lecture de l’ionisation produite par les particules chargées et de la lumière de scintillation.

Le laboratoire comprend un prototype de chambre (LAr TPC) avec un cryostat de 1 tonne, avec des technologies de pointe, contenant un volume d’argon ultra pur (<1 ppb 02) de 250l pour la TPC.

  TPC and cryostat sketch and picture of the TPC field cage and light detection system located below the cathode

Ce TPC, avec 60 cm de longueur de dérive, a été conçu pour étudier la technologie de lecture de charge en double-phase et comme banc d’essai pour le R&D sur l’électronique frontale cryogénique et les systèmes DAQ à large bande passante qui sont au cœur des développements faits à l’IP2I. Développements qui ont été appliqués avec succès, à partir du 2016, à des prototypes de DUNE à plus grande échelle au CERN, comme le détecteur 3x1x1 m3 et le détecteur protoDUNE dual-phase 6x6x6 m3.

https://in2p3.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/une-nouvelle-technologie-innovante-pour-detecter-les-neutrinos-testee-grande-echelle-au

Some technical aspects of the LIO LAr infrastructure:

• Liquid argon laboratory (100 m2 surface, 5m ceiling height) equipped with movable crane and all the equipment for the LAr TPC R&D and development of charge readout electronics and associated DAQ systems. Cryogenic installation and LAr delivery system with an external cryogenic tank of 1 ton, automated filling system and ODH safety system.
• Double wall super-insulated (vacuum insulation) cryostat of 70 cm diameter. Cryostat external thermal bath of boiling LAr (366 liters). Integrated recirculation and purification system of LAr (30 l/m) through trigon cartridge, LAr recirculation bellow pump powered by N2 flow.
• Cryostat inner vessel for ultrapure (<0.1 ppt O2) LAr (250 liters , diameter 50 cm,height ~115 cm with integrated Time Projection Chamber detector. Integrated Cryocooler of 25W (Cryomech AL25). Cryocooler temperature control loop instrumentation. Pressure relief system
• Ultra High Vacuum evacuation system of the cryostat with Helium leak detection system and mass spectrometry system for the analysis of residual gas contaminants
• Accurate measurements of: temperature gradients in the gas and liquid, pressure of the gas Ar phase, liquid argon levels and associated slow control system
• 30 kV high voltage system (power supply, feedthrough, cathode and field cage) for the generation of the uniform electric field (0.5kV/cm) in liquid argon for a drift of 60 cm.
• System for the detection of the light produced by the scintillation processes in LAr
• Infrastructure for the production of the TPC components in house including feedthroughs, insulators, cryogenic glues and TPB coating of the photo-detectors, GAr and LAr piping and  TPC mechanics.